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Ciencias aplicadas e interdisciplinarias | 2018-10-24

Fotónica integrada con grafeno para las comunicaciones de próxima generación

SINC | Las propiedades del grafeno permiten comunicaciones con un gran ancho de banda manteniendo un consumo bajo de energía, lo que mejora radicalmente la transmisión de datos en los sistemas ópticos. Ahora los miembros industriales y académicos de la gran iniciativa europea Graphene Flagship revisan en un artículo el estado actual de los dispositivos fotónicos basados en este material y la hoja de ruta para incorporarlos en la tecnología 5G y el internet de las cosas.

Los dispositivos fotónicos integrados basados en grafeno se están convirtiendo en una solución prometedora para la próxima generación de comunicaciones ópticas. Las propiedades de este material de carbono permiten transmitir información con un gran ancho de banda a la vez que un bajo consumo de energía, lo que supone toda una revolución en la transferencia de datos a través de los sistemas de comunicaciones ópticos.

Este avance hace que los dispositivos integrados basados en grafeno sean un ingrediente clave en la evolución de 5G, el internet de las cosas (IoT por sus siglas en inglés) y la denominada industria 4.0, según la revisión que empresas y centros de investigación del megaproyecto europeo Graphene Flagship publican este mes en la revista Nature Reviews Materials. El artículo está firmado por investigadores de entidades como CNIT, Ericsson, IMEC, Nokia, Nokia-Bell Labs, AMO, el ICFO y la Universidad de Cambridge.
Este avance hace que los dispositivos integrados basados en grafeno sean un ingrediente clave en la evolución de 5G, el internet de las cosas (IoT por sus siglas en inglés)

La transmisión de datos debe buscar una nueva frontera porque "a medida que las tecnologías de semiconductores convencionales se aproximan a sus limitaciones físicas, necesitamos explorar tecnologías completamente innovadoras para conseguir materializar nuestras visiones más ambiciosas de una sociedad global futura conectada en red", explica Wolfgang Templ, jefe de departamento de Transceiver Research en Nokia Bell Labs en Alemania

Paola Galli, miembro del personal técnico y redes ópticas e IP de Nokia, está de acuerdo: “La fotónica del grafeno ofrece una combinación de ventajas para convertirse en un elemento de cambio. Necesitamos explorar nuevos materiales para ir más allá de los límites de las tecnologías actuales y satisfacer las necesidades de las redes futuras”.

Por su parte, Antonio D’Errico, de Ericsson Research, explica. "El grafeno para la fotónica tiene el potencial de cambiar la perspectiva de la tecnología de la información y las comunicaciones de una manera disruptiva. Este documento explica cómo desarrollar y facilitar nuevas redes ópticas. y me complace decir que esta información fundamental ahora está disponible para cualquier persona interesada en todo el mundo".

"El grafeno integrado en un circuito fotónico es una tecnología escalable y de bajo costo que puede operar enlaces de fibra a una velocidad de transmisión de datos muy alta ", destaca también Marco Romagnoli, del Consorcio Nacional Interuniversitario de Telecomunicaciones (CNIT) en Italia.

Importancia de la colaboración industria-academia

“La colaboración entre la industria y el mundo académico es clave para el trabajo exploratorio hacia una tecnología de componentes completamente nueva –agrega Templ–. La investigación en esta fase conlleva riesgos significativos, por lo que es importante que la investigación académica y los laboratorios de investigación de la industria se unan a las mentes más brillantes para resolver problemas fundamentales. La industria puede dar una perspectiva sobre las preguntas de investigación relevantes para el potencial en futuros sistemas. Gracias al intercambio mutuo de información, podemos madurar la tecnología y considerar todos los requisitos para una futura industrialización y producción en masa de componentes basados en grafeno".

Desde España, el profesor ICREA en el ICFO Frank Koppens destaca: "Con el grafeno podemos hacer que las tecnologías 5G sean más rápidas, más compactas y más baratas. Hasta ahora, no existe ninguna tecnología que pueda hacer todas estas cosas a la vez. Esta publicación refleja claramente una estrecha colaboración entre el mundo académico y la industria. El Graphene Flagship fomenta proyectos de desarrollo conjunto dirigidos a aplicaciones bien definidas que resuelven los principales problemas de los principales actores industriales en los mercados de datos y telecomunicaciones”.

Kari Hjelt, director de innovación para esta gran iniciativa europea, también afirma: “Este caso ejemplifica el poder de las tecnologías de grafeno para transformar aplicaciones de vanguardia en telecomunicaciones. Ya comenzamos a ver los frutos de las inversiones del Graphene Flagship cuando pasamos del desarrollo de materiales a la integración de componentes y sistemas”.

Los frutos de las inversiones del Graphene Flagship se empiezan a ver al pasar del desarrollo de materiales con grafeno a la integración de componentes y sistemas

Según los autores, la fotónica de grafeno ofrece ventajas tanto en rendimiento como en fabricación. Este material puede garantizar un rendimiento de modulación, detección y conmutación que cumpla con todos los requisitos necesarios para la siguiente evolución en la fabricación de dispositivos fotónicos.

“Buscamos transceptores ópticos altamente integrados que permitan velocidades de transmisión de bits ultra-rápidas, más allá del terabit por segundo por canal óptico. Estos sistemas específicos se diferenciarán de sus precursores (basados en semiconductores) por ser sustancialmente menos complejos, por disipar menos energía y tener un factor de forma menor, junto con una mayor flexibilidad y capacidad de sintonización", explica Templ.

"Este documento detalla con claridad por qué un enfoque integrado utilizando fotónica basada en grafeno y silicio puede cumplir y superar el constante incremento de las velocidades de transmisión de datos tan requeridas para los futuros sistemas de telecomunicaciones", dice Andrea C. Ferrari, profesor de la Universidad de Cambridge, responsable del Área de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship y presidente de su Panel de Administración. "La llegada del internet de las cosas y la era 5G representan oportunidades únicas para que el grafeno demuestre su máximo potencial".

En el marco del Graphene Flagship, una de las mayores iniciativas de investigación de la Comisión Europea, los autores presentan una visión del futuro de la fotónica integrada basada en grafeno y proporcionan estrategias para mejorar el consumo de energía, capacidad de fabricación e integración a escala de obleas. El nuevo estudio, seleccionado para ser portada de la revista Nature Review Materials, ofrece una hoja de ruta que muestra cómo los dispositivos fotónicos basados en grafeno pueden superar los requisitos tecnológicos necesarios para la evolución de los actuales mercados de comunicación de datos y telecomunicaciones hacia los de próxima generación.

Referencia bibliográfica: Marco Romagnoli, Vito Sorianello, Michele Midrio, Frank H. L. Koppens, Cedric Huyghebaert, Daniel Neumaier, Paola Galli, Wolfgang Templ, Antonio D’Errico & Andrea C. Ferrari. “Graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom”. Nature Reviews Materials 3: 392–414, octubre de 2018. DOI: 10.1038/s41578-018-0040-9.


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