Contrariamente a la tremenda historia de éxito de la integración electrónica, La integración fotónica está todavía en pañales. Uno de los obstáculos más serios que enfrenta es la necesidad de utilizar una variedad de materiales para lograr diferentes funciones, a diferencia de la integración electrónica. Para complicar aún más las cosas, muchos de los materiales necesarios para la integración fotónica no son compatibles con la tecnología de integración de silicio.

Los intentos hasta ahora de colocar una variedad de nanocables funcionales dentro de los circuitos fotónicos para alcanzar las funcionalidades deseadas han demostrado que, si bien es completamente posible, Los nanocables tienden a ser demasiado pequeños para confinar eficazmente la luz. Si bien los nanocables más grandes pueden mejorar el confinamiento de la luz y el rendimiento, aumenta tanto el consumo de energía como la huella del dispositivo, los cuales se consideran "fatales" cuando se trata de integración.

Abordar este problema, un grupo de investigadores de NTT Corp.en Japón ideó un enfoque que implica combinar un nanoalambre de sub-longitud de onda con una plataforma de cristal fotónico, que informan esta semana en la revista APL Photonics .

Los cristales fotónicos, estructuras artificiales cuyo índice de refracción se modula periódicamente, son el núcleo de su trabajo.

"Una pequeña modulación del índice de refracción local de un cristal fotónico produce un fuerte confinamiento de la luz que conduce a nanoresonadores ópticos de ultra alta calidad, "dijo Masaya Notomi, un científico distinguido senior de NTT Basic Research Laboratories. "Hacemos un uso completo de esta característica en particular en nuestro trabajo".

En 2014, este mismo grupo demostró que era posible confinar fuertemente la luz en un nanoalambre de sub-longitud de onda con un diámetro de 100 nanómetros colocándolo sobre un cristal fotónico de silicio. En ese tiempo, "fue una demostración preliminar del mecanismo de confinamiento, pero con nuestro trabajo actual hemos demostrado con éxito el funcionamiento de un dispositivo de nanocables de sub-longitud de onda en una plataforma de silicio mediante el uso de este método, "Dijo Notomi.

En otras palabras:mientras que un nanocable de sub-longitud de onda no puede convertirse en un resonador con un fuerte confinamiento de luz por sí solo, cuando se coloca sobre un cristal fotónico, provoca la modulación del índice de refracción necesaria para generar el confinamiento de la luz.

"Por nuestro trabajo, preparamos cuidadosamente un nanoalambre semiconductor III-V con una ganancia óptica suficientemente grande y lo colocamos dentro de una ranura de un cristal fotónico de silicio mediante el uso de la técnica de manipulación de nanoprobe, 'que da como resultado un nanoresonador óptico, "dijo Masato Takiguchi, el autor principal del artículo y un investigador que trabaja dentro del grupo de Notomi en NTT Basic Research Laboratories. "Con una serie de cuidadosas caracterizaciones, hemos demostrado que este nanoalambre de sub-longitud de onda puede exhibir oscilación láser de onda continua y modulación de señal de alta velocidad a 10 Gbps ".

Para utilizar láseres de nanocables para la integración fotónica, Deben cumplirse tres requisitos esenciales. "Primero, un nanoalambre debe ser lo más pequeño posible para un confinamiento de luz suficientemente fuerte, lo que asegura una huella ultra pequeña y un consumo de energía, "Takiguchi dijo." Segundo, un láser de nanocables debe poder generar señales de alta velocidad. Tercera, la longitud de onda láser debe ser superior a 1,2 micrones para evitar la absorción en silicio, por lo que es importante crear láseres de nanocables de sub-longitud de onda en longitudes de onda de comunicación óptica (1,3 a 1,55 micrones) capaces de modular la señal a alta velocidad ".

De hecho, demostraciones anteriores de láseres basados ​​en nanocables "han tenido longitudes de onda inferiores a 0,9 micrones, que no se puede utilizar para circuitos integrados fotónicos de silicio, excepto una demostración de láser pulsado de láseres de alambre de micrones relativamente gruesos a 1,55 micrones, "Dijo Notomi. Esto se debe presumiblemente a que la ganancia del material es menor en longitudes de onda más largas, lo que dificulta que los nanocables delgados alcancen el láser.

Más allá de esto, "cero demostraciones de modulación de alta velocidad por cualquier tipo de nanocables se han materializado, ", señaló. Esto también se debe al pequeño volumen de ganancia.

"Con nuestro trabajo actual, hemos resuelto estos problemas combinando un nanoalambre y un cristal fotónico de silicio, "Dijo Notomi." Nuestro resultado es la primera demostración de oscilación láser de onda continua por un nanoalambre de sub-longitud de onda, así como la primera demostración de modulación de señal de alta velocidad mediante un láser de nanocables ".

El grupo pudo lograr una modulación de 10 Gbps, que es comparable a convencional, Láseres de alta velocidad modulados directamente utilizados para comunicaciones ópticas.

"Esto demuestra que los láseres de nanocables son prometedores para el procesamiento de información, especialmente los circuitos integrados fotónicos, "Dijo Notomi.

La aplicación más prometedora para el presente trabajo del grupo son los circuitos de integración fotónica basados ​​en nanocables, para lo cual usarán varios nanocables diferentes para lograr diferentes funcionalidades, como láseres, fotodetectores, e interruptores en circuitos integrados fotónicos de silicio.

"Se espera que en unos 15 años se necesiten procesadores equipados con una red fotónica en chip, y la integración fotónica basada en nanocables será una posible solución, "Dijo Notomi.

En términos de láseres, El próximo objetivo del grupo es integrar láseres de nanocables con guías de onda de entrada / salida.

"Aunque este tipo de integración ha sido una tarea difícil para los dispositivos basados ​​en nanocables, esperamos que sea mucho más fácil en nuestra plataforma porque la plataforma de cristal fotónico es intrínsecamente superior en términos de conexión de guía de ondas, "Dijo Takiguchi." Apuntaremos también al láser impulsado por corriente a temperatura ambiente ".

El grupo también planea utilizar la misma técnica para crear "dispositivos fotónicos distintos de los láseres eligiendo diferentes nanocables". ", Dijo Takiguchi." Queremos demostrar que somos capaces de integrar una serie de dispositivos fotónicos al tener diferentes funcionalidades en un solo chip ".