La Asociación de la Industria de Semiconductores ha estimado que a las tasas actuales de aumento, Los requisitos de energía de las computadoras superarán la producción total de energía del mundo para 2040.

El uso de luz en lugar de electricidad para mover datos reduciría drásticamente el consumo de energía de los chips de computadora, y los últimos 20 años han visto un progreso notable en el desarrollo de la fotónica de silicio, o dispositivos ópticos que están hechos de silicio para que puedan integrarse fácilmente con la electrónica en chips de silicio.

Pero los dispositivos fotónicos de silicio existentes se basan en diferentes mecanismos físicos que los componentes optoelectrónicos de alta gama en las redes de telecomunicaciones. Los dispositivos de telecomunicaciones explotan las llamadas no linealidades de segundo orden, que hacen que el procesamiento de señales ópticas sea más eficiente y confiable.

En el último número de Fotónica de la naturaleza , Los investigadores del MIT presentan una forma práctica de introducir no linealidades de segundo orden en la fotónica de silicio. También informan prototipos de dos dispositivos de silicio diferentes que explotan esas no linealidades:un modulador, que codifica datos en un haz óptico, y un doblador de frecuencia, un componente vital para el desarrollo de láseres que se puede sintonizar con precisión en un rango de frecuencias diferentes.

En óptica, un sistema lineal es aquel cuyas salidas están siempre a las mismas frecuencias que sus entradas. Entonces, un doblador de frecuencia, por ejemplo, es un dispositivo inherentemente no lineal.

"Ahora tenemos la capacidad de tener una no linealidad de segundo orden en el silicio, y esta es la primera demostración real de eso, "dice Michael Watts, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en el MIT y autor principal del nuevo artículo.

"Ahora puede construir un modulador de fase que no dependa del efecto de portador libre en el silicio. El beneficio es que el efecto de portador libre en el silicio siempre tiene un acoplamiento de fase y amplitud. Por lo tanto, siempre que cambie la concentración de portador, estás cambiando tanto la fase como la amplitud de la onda que la atraviesa. Con no linealidad de segundo orden, rompes ese acoplamiento, para que pueda tener un modulador de fase puro. Eso es importante para muchas aplicaciones. Ciertamente, en el ámbito de las comunicaciones eso es importante ".

El primer autor del nuevo artículo es Erman Timurdogan, quien completó su doctorado en el MIT el año pasado y ahora está en la compañía de fotónica de silicio Analog Photonics. A él y Watts se les une Matthew Byrd, un estudiante graduado del MIT en ingeniería eléctrica e informática, y Christopher Poulton, quien hizo su maestría en el grupo de Watts y ahora también está en Analog Photonics.

Soluciones tontas

Si se puede pensar en una onda electromagnética como un patrón de garabatos regulares hacia arriba y hacia abajo, un modulador digital perturba ese patrón de manera fija para representar cadenas de ceros y unos. En un modulador de silicio, el camino que toma la onda de luz está definido por una guía de ondas, que es más bien como un riel que corre a lo largo de la parte superior del modulador.

Los moduladores de silicio existentes están dopados, lo que significa que se les han agregado impurezas a través de un proceso estándar utilizado en la fabricación de transistores. Algunos materiales de dopaje producen silicio de tipo p, donde la "p" es para "positivo, "y algunos producen silicio de tipo n, donde la "n" es para "negativo". En presencia de un campo eléctrico, los portadores libres (electrones que no están asociados con átomos de silicio particulares) tienden a concentrarse en el silicio de tipo ny a disiparse en el silicio de tipo p.

Un modulador de silicio convencional es mitad silicio de tipo py mitad de tipo n; incluso la guía de ondas está dividida por la mitad. A cada lado de la guía de ondas hay electrodos, y cambiar el voltaje a través del modulador concentra y disipa alternativamente los portadores libres en la guía de ondas, para modular una señal óptica que la atraviesa.

El dispositivo de los investigadores del MIT es similar, excepto que el centro del modulador, incluida la guía de ondas que corre a lo largo de su parte superior, no está dopado. Cuando se aplica un voltaje, los portadores gratuitos no se acumulan en el centro del dispositivo; en lugar de, se acumulan en el límite entre el silicio de tipo n y el silicio sin dopar. Una carga positiva correspondiente se acumula en el límite con el silicio de tipo p, produciendo un campo eléctrico, que es lo que modula la señal óptica.

Debido a que los portadores libres en el centro de un modulador de silicio convencional pueden absorber partículas de luz (o fotones) que viajan a través de la guía de ondas, disminuyen la fuerza de la señal óptica; los moduladores que explotan las no linealidades de segundo orden no enfrentan ese problema.

Cogiendo velocidad

En principio, también pueden modular una señal más rápidamente que los moduladores de silicio existentes. Esto se debe a que se necesita más tiempo para mover los portadores libres dentro y fuera de la guía de ondas que para concentrarlos y liberarlos en los límites con el silicio sin dopar. El artículo actual simplemente informa sobre el fenómeno de la modulación no lineal, pero Timurdogan dice que desde entonces el equipo ha probado
prototipos de un modulador cuyas velocidades son competitivas con las de los moduladores no lineales que se encuentran en las redes de telecomunicaciones.

El duplicador de frecuencia que demostraron los investigadores tiene un diseño similar, excepto que las regiones de silicio dopado p y n que flanquean la región central del silicio no dopado están dispuestas en bandas regularmente espaciadas, perpendicular a la guía de ondas. Las distancias entre las bandas se calibran para una longitud de onda de luz específica, y cuando se aplica un voltaje a través de ellos, duplican la frecuencia de la señal óptica que pasa a través de la guía de ondas, combinando pares de fotones en fotones individuales con el doble de energía.

Los duplicadores de frecuencia se pueden utilizar para construir relojes ópticos en chip extraordinariamente precisos, amplificadores ópticos, y fuentes de radiación de terahercios, que tiene aplicaciones de seguridad prometedoras.

"El silicio ha tenido un gran renacimiento dentro del espacio de la comunicación óptica para una variedad de aplicaciones, "dice Jason Orcutt, investigador del Departamento de Ciencias Físicas del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM. "Sin embargo, todavía quedan espacios de aplicación, desde la fotónica de microondas hasta la óptica cuántica, donde la falta de efectos no lineales de segundo orden en el silicio ha impedido el progreso. Este es un paso importante para abordar una gama más amplia de aplicaciones dentro de las plataformas de fotónica de silicio maduras en todo el mundo ".

"Hasta la fecha, Los esfuerzos para lograr efectos no lineales de segundo orden en el silicio se han centrado en problemas de ciencia de materiales duros, Orcutt agrega. “El equipo [MIT] ha sido extremadamente inteligente al recordarle a la comunidad física lo que no deberíamos haber olvidado. La aplicación de un campo eléctrico simple crea el mismo vector de polarización de cristal básico que otros investigadores han trabajado arduamente para crear por medios mucho más complicados ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.