Las computadoras ópticas o fotónicas son dispositivos informáticos hipotéticos en los que los cálculos se realizan utilizando fotones emitidos por láseres o LED .
La investigación más moderna tiene como objetivo reemplazar los componentes informáticos tradicionales (electrónicos) con sus equivalentes ópticos.
Se supone que el resultado de estos estudios será una nueva tecnología informática digital para el procesamiento de datos binarios. Este enfoque para reemplazar la base del elemento permite a corto plazo desarrollar tecnologías para uso comercial, ya que los componentes ópticos se pueden usar en computadoras clásicas, primero al crear sistemas híbridos electrón-fotónicos y luego completamente fotónicos.
Sin embargo, los dispositivos optoelectrónicos pierden un 30% de energía al convertir la electricidad en luz y viceversa, lo que también ralentiza la velocidad de transferencia de información en los repetidores optoelectrónicos [1] . En una computadora hipotética totalmente óptica, no habría conversión de señal de óptica a eléctrica y de vuelta a óptica.
Un componente fundamental de las computadoras electrónicas es un interruptor electrónico controlado, más comúnmente un transistor . Para sustituir la lógica electrónica por una óptica manteniendo la circuitería lógica conceptual existente, será necesario implementar un transistor óptico.
Una de las opciones posibles es el uso de materiales con efectos ópticos no lineales , en particular, el comportamiento no lineal del índice de refracción .
Ya se han encontrado algunos materiales [2] en los que la intensidad de la radiación entrante afecta la intensidad de la radiación transmitida; este comportamiento se compara figurativamente con la familia de características de corriente-voltaje (CVC) de un transistor semiconductor. Se podrían usar "transistores ópticos" similares [3] [4] para crear puertas lógicas ópticas [4] , a partir de las cuales se ensamblarían circuitos lógicos más complejos. Sin embargo, muchos efectos no lineales requieren señales de control de muy alta intensidad.
Varias empresas han presentado prototipos de sistemas analógicos optoeléctricos que utilizan moduladores espaciales que son impulsados por señales eléctricas. Los creadores de estas instalaciones propusieron varias opciones de sistemas que se pueden solucionar con sistemas similares.
Computadora óptica de los laboratorios BellLa primera maqueta de una computadora óptica fue creada en 1990 por el grupo de Alan Huang en Bell Labs [5] [6] con críticas mixtas [7] .
DOC-IIEl siguiente prototipo en 1991 se llamó " DOC-II " ( Ing. Digital Optical Computer - computadora óptica digital) [8] [9] . Usó 64 láseres, un modulador espacial de matriz de 64x128 (los elementos de la matriz son células de Bragg de fosfuro de galio ) y 128 fotodetectores, el esquema óptico podría realizar vector booleano y multiplicación de matriz.
Según los autores, esta computadora era capaz de revisar hasta 80 mil páginas de texto por segundo al ejecutar un comando de búsqueda de palabras .
Computadora óptica de LensletEn 2003 , Lenslet demostró el procesador DSP óptico EnLight256 [ 5] [ 10] [11] . Una característica de su arquitectura es que, mientras que el núcleo del procesador se basa en tecnologías ópticas analógicas, todas las entradas, salidas y circuitos de control son electrónicos. Este procesador es capaz de realizar, según los autores, hasta 8×10 12 operaciones elementales sobre enteros de 8 bits por segundo. 256 láseres iluminan un modulador de luz espacial MQWSLM de 256x256 celdas (controlado electrónicamente), 256 fotodetectores leen el resultado analógico. Por lo tanto, el procesador realiza una operación de vector-matriz. La matriz de control MQWSLM se puede reconfigurar con nuevos datos varios millones de veces por segundo.
EnLight AlphaEn la ORNL se estudió el procesador de demostración EnLight Alpha (con un modulador de 64x64) y se probó el funcionamiento de la transformada discreta de Fourier con una precisión de 8 bits. A pesar del ruido de cuantificación debido a la pequeña longitud de las palabras binarias para datos de baja amplitud, cuando se procesan con este sistema, se encontraron con éxito todos los máximos espectrales [12] .
La lógica de fotones debería usar hipotéticamente fotones individuales de luz.[ aclarar ] en puertas lógicas (como NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR ). Las funciones de conmutación podrían implementarse mediante efectos ópticos no lineales causados por una señal óptica de control y actuando sobre otra señal óptica [4] .
Al implementar la lógica fotónica, es posible que se necesiten cavidades ópticas que aumenten la energía debido a la amplificación de la interferencia (interferencia en una fase) y simplifiquen la aparición de efectos no lineales.
También se está investigando la lógica fotónica en moléculas individuales utilizando el efecto fotoluminiscente . En 2011, Witlicki y otros demostraron la realización de operaciones lógicas en moléculas utilizando espectroscopia SERS Raman [13] .
En 2008, los investigadores de IBM presentaron un interruptor óptico experimental en un chip que usaba cavidades reflectantes de silicio que proporcionaban tasas de transferencia de datos de paquetes de más de 1 Tbps [14] [15] .
En 2009, los profesores del MIT, Vladimir Stoyanovich y Rajiv Rem, propusieron un método para crear guías de ondas ópticas directamente en chips de silicio que implementan procesadores de semiconductores. También demostraron resonadores controlados por silicio en el chip que emiten radiación con diferentes longitudes de onda de la señal de entrada [16] [17] .
A partir de 2009, los dispositivos de memoria y las operaciones en bits individuales están mal implementados en los sistemas totalmente ópticos, por lo que estas tecnologías solo se utilizan hasta ahora para conmutar señales ópticas según la longitud de onda de la radiación y conmutar diferentes fibras ópticas (en particular, en OADM ) [18] .
A menudo se afirma que el funcionamiento de las computadoras ópticas será energéticamente eficiente, sin embargo, en los sistemas ópticos, cuando se transmite información a corta distancia, a menudo es necesario usar más energía que en los sistemas eléctricos y electrónicos. Esto se debe a que el ruido de disparo en los canales ópticos es mayor que el ruido térmico en los canales eléctricos, lo que requiere un nivel de señal más alto para mantener la relación señal-ruido cuando se implementa un canal de alta velocidad. Solo con un aumento en la longitud del canal de comunicación, las pérdidas en los canales eléctricos crecen más rápido que en los ópticos, por lo que ya se están implementando canales de comunicación largos y de alta velocidad utilizando comunicación óptica. Existe una tendencia a reemplazar los canales de comunicación electrónica cada vez más cortos con canales ópticos con tasas de transferencia de información cada vez mayores [19] [20] , en particular, los cables ópticos se están volviendo más populares que los cables eléctricos para las versiones de alta velocidad de Ethernet (10G, 40G, 100G) ya en una longitud de no más de 10 metros.
Un problema importante para el procesamiento de información completamente óptico es la débil interacción de varias señales ópticas. La luz es una onda electromagnética que no puede interactuar con otra onda electromagnética en el vacío debido a su linealidad, que se enuncia como el principio de superposición . La interacción de los haces de luz solo es posible en materiales ópticamente no lineales [21] , y el grado de dicha interacción para las ondas electromagnéticas es mucho menor que para las señales eléctricas en las computadoras tradicionales. Debido a esto, los elementos de conmutación de una computadora óptica requieren potencias de señal altas y son más grandes que los circuitos electrónicos existentes.
hay dudas[ ¿de quién? ] en las capacidades de las computadoras ópticas, así como si pueden competir con los sistemas electrónicos de semiconductores en velocidad, eficiencia energética , precio y compacidad. Los críticos señalan [22] que los sistemas lógicos requieren las siguientes capacidades a partir de una base de elementos no lineales: restauración de los niveles lógicos originales, conexión en cascada , la capacidad de combinar varias señales de entrada en la entrada de un solo elemento ( fan-in ) y ramificación. la señal de salida de un elemento a la entrada de varios elementos ( fan -out ) [23] [24] , aislamiento entre entradas y salidas. Todas estas propiedades son técnicamente fáciles de implementar en circuitos de transistores, mientras que son extremadamente baratos (para implementación microelectrónica), tienen baja generación de calor y alta velocidad de conmutación.
A partir de 2010, no se han presentado elementos o circuitos ópticos (pasivos o activos) que tengan la funcionalidad requerida y al mismo tiempo sean tan compactos y energéticamente eficientes como los circuitos de transistores [22] . Para que la lógica de los componentes ópticos sea competitiva, se requiere un avance fundamental en la funcionalidad, el consumo de energía y la compacidad de los elementos ópticos; desarrollo de memorias ópticas y tecnologías de producción por lotes [22] . También se supone que los sistemas informáticos ópticos no proporcionarán aceleración del procesamiento de la información, ya que, como en el caso de la lógica de transistores, es probable que la frecuencia de conmutación esté limitada por el consumo de energía [22] .
Los elementos ópticos se utilizan solo en unas pocas áreas específicas, por ejemplo, para la transmisión de señales a largas distancias a través de líneas de comunicación de fibra óptica (debido a la baja atenuación de la propagación [22] ), mientras que en dichos sistemas ópticos no se realizan cálculos mediante métodos ópticos.
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