Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou propõem um método para prever com precisão o nível de ruído causado pela amplificação de sinais fotônicos e plasmônicos em circuitos optoeletrônicos em nanoescala. Em sua pesquisa publicada em Revisão Física Aplicada , os cientistas descrevem uma abordagem que pode ser usada para avaliar as taxas de transferência de dados finais nos microprocessadores optoeletrônicos emergentes e descobrir limitações fundamentais na largura de banda de interfaces nanofotônicas.

Polaritons de plasmon de superfície são oscilações eletrônicas coletivas em uma superfície de metal acoplada a um campo eletromagnético. Um plasmon de superfície pode ser visto como um quantum comprimido de luz, e isso explica por que os dispositivos plasmônicos são promissores para muitas aplicações:eles são quase tão compactos quanto os componentes nanoeletrônicos, mas ao mesmo tempo, eles permitem taxas de transferência de dados até quatro ordens de magnitude maiores do que fios elétricos. Substituir até mesmo algumas das interconexões elétricas em um chip por componentes plasmônicos (nanofotônicos) daria um impulso muito necessário ao desempenho do microprocessador.

O principal obstáculo enfrentado atualmente pelos plasmônicos é a atenuação do sinal. Devido a grandes perdas, plasmons de superfície podem se propagar por longas distâncias apenas nos chamados guias de onda plasmônica ativos. Esses guias de onda não apenas guiam o sinal plasmônico do transmissor para o receptor, mas também o amplificam usando a energia da corrente elétrica que flui através do dispositivo. Esta energia adicionada compensa as perdas de sinal e permite que os plasmons de superfície se propaguem livremente ao longo do guia de ondas, assim como a energia fornecida por uma bateria mantém um relógio de quartzo funcionando.

Contudo, existe um problema fundamental associado à amplificação do sinal e compensação de perda. Cada amplificador não apenas aumenta a amplitude da entrada, mas também adiciona alguns sinais aleatórios indesejados. Os físicos se referem a esses sinais como ruído. De acordo com as leis da termodinâmica, é impossível remover todo o ruído de um sistema. A distorção do sinal original é amplamente determinada pelo ruído, que limita fundamentalmente as taxas de transferência de dados e causa erros nos bits recebidos se a informação for transferida a taxas mais altas. Para aumentar a taxa de transferência de dados, a relação sinal-ruído precisa ser melhorada. A importância dessa proporção é óbvia para qualquer pessoa que teve a experiência de falar com alguém em uma rua movimentada ou sintonizar uma estação de rádio.

"O ruído desempenha um papel fundamental em quase metade de todos os dispositivos em nossas casas, de telefones celulares e aparelhos de televisão aos canais de fibra óptica que são a espinha dorsal da Internet de alta velocidade. A amplificação do sinal inevitavelmente diminui a relação sinal-ruído. Na verdade, quanto mais ganho um amplificador oferece, ou, no nosso caso, quanto maior for a perda de sinal que ele precisa para compensar, quanto maior o nível de ruído que ele produz. Este problema é especialmente pronunciado em guias de ondas plasmônicas com ganho, "diz Dmitry Fedyanin.

Um estudo recente de Fedyanin e Andrey Vyshnevyy publicado em Revisão Física Aplicada trata de um tipo específico de ruído:o ruído fotônico produzido quando os sinais plasmônicos são amplificados em dispositivos semicondutores. Sua principal causa é a chamada emissão espontânea. Quando um sinal fotônico é amplificado, o poder da onda óptica aumenta devido às transições de elétrons de estados de energia superior para inferior - a diferença de energia entre os dois estados de energia é liberada como quanta de luz. Essa emissão pode ser estimulada e espontânea.

Enquanto a emissão estimulada amplifica o sinal, a emissão espontânea produz quanta aleatória de várias energias, ou seja, ruído com amplo espectro. O ruído pode ser observado como flutuações aleatórias na potência do sinal resultantes da interferência dos componentes da frequência do sinal e da emissão espontânea (esse fenômeno é conhecido como "batimento"). Qualquer aumento no ganho fornecido por um amplificador aumenta o nível de ruído e amplia o espectro de emissão, estimulado e espontâneo. A aplicabilidade das abordagens bem estabelecidas de óptica quântica, que se destinam a descrever a interação da luz com átomos individuais, diminui à medida que os espectros no sistema estudado se tornam mais amplos. Para lidar com o caso de amplificação de alto ganho em nanoescala, os pesquisadores basicamente tiveram que começar o trabalho do zero.

"Tivemos que preencher a lacuna entre três áreas diferentes da física que raramente se cruzam:óptica quântica, física de semicondutores e optoeletrônica. Nós desenvolvemos um arcabouço teórico que pode descrever o ruído fotônico em estruturas que incorporam meios ativos com um amplo espectro de ganho. Embora esta abordagem tenha sido inicialmente concebida para guias de ondas plasmônicas com ganho, pode ser aplicado sem alteração a todos os amplificadores ópticos e sistemas semelhantes, "Fedyanin diz.

O ruído causa erros durante a transmissão, o que reduz consideravelmente a taxa efetiva de transferência de dados devido à necessidade de implementar algoritmos de correção de erros. No que diz respeito ao hardware, o controle de erros também requer componentes adicionais no chip que realizam a correção, tornando novos dispositivos mais difíceis de projetar e fabricar.

"Se conhecermos a potência do ruído em um canal de comunicação nanofotônico, bem como suas características espectrais, é possível avaliar a taxa máxima de transferência de dados ao longo desse canal. Além disso, podemos identificar maneiras de reduzir a quantidade de ruído, escolhendo certos regimes de operação do dispositivo e usando técnicas de filtragem óptica e elétrica, "adiciona Vyshnevyy.

A teoria proposta sugere uma nova classe de dispositivos que combinam as vantagens da eletrônica e da fotônica no mesmo chip. Em um chip desse tipo, os componentes plasmônicos seriam usados ​​para comunicação ultrarrápida entre os núcleos do processador e os registros. Embora a atenuação de sinal fosse considerada anteriormente como a principal desvantagem do chip proposto, o estudo recente de pesquisadores russos mostra que assim que a perda de sinal for compensada, é necessária uma técnica para lidar com a questão do ruído. De outra forma, o sinal pode simplesmente ser abafado pelo ruído de emissão espontânea, tornando o chip virtualmente inútil.

Os cálculos realizados pelos pesquisadores demonstram que um guia de onda plasmônico ativo com uma seção transversal de apenas 200 × 200 nanômetros pode ser usado para transmitir sinais a uma distância de cinco milímetros. Isso pode não parecer muito em termos das distâncias com que lidamos na vida cotidiana, mas esse número é bastante típico dos microprocessadores modernos. Quanto às taxas de transferência de dados, eles excederiam 10 Gbit / s por canal espectral, ou seja, um canal de comunicação de dados que usa um comprimento de onda de luz específico. Sem mencionar que um único guia de onda em nanoescala pode ser usado simultaneamente por várias dezenas desses canais espectrais se a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) for usada, que é um padrão em todas as linhas de comunicação óptica, incluindo internet banda larga. Para colocar isso em perspectiva, a taxa máxima de transferência de dados por meio de uma interconexão elétrica (um condutor de cobre) de dimensões semelhantes é de apenas 20 Mbit / s, que é pelo menos 500 vezes mais lento!

Os cientistas descobriram como a potência do ruído e as características do ruído dependem dos parâmetros dos guias de onda plasmônica com ganho e mostraram como o nível de ruído pode ser reduzido para garantir a largura de banda máxima da interface nanofotônica. Eles provaram que é possível combinar um tamanho em miniatura e uma contagem de erros baixa com uma alta taxa de transferência de dados e uma eficiência energética relativamente alta em um único dispositivo, anunciando um "avanço plasmônico" na microeletrônica que pode ocorrer nos próximos 10 anos.