Los investigadores de IBM han logrado guiar la luz visible a través de un cable de silicio de manera eficiente, un hito importante en la exploración hacia una nueva generación de circuitos lógicos más eficientes.

Por décadas, la velocidad de nuestras computadoras ha ido creciendo a un ritmo constante. El procesador del primer IBM PC lanzado hace 40 años, operado a una velocidad de aproximadamente 5 millones de ciclos de reloj por segundo (4,77 MHz). Hoy dia, los procesadores de nuestras computadoras personales funcionan alrededor de 1000 veces más rápido.

Sin embargo, con tecnología actual, no es probable que sean más rápidos que eso.

Durante los últimos 15 años, la frecuencia de reloj de los núcleos de un solo procesador se ha estancado en unos pocos gigahercios. Y el enfoque antiguo y probado de meter cada vez más transistores en un chip ya no ayudará a superar ese límite. Al menos no sin romper el banco en términos de consumo de energía.

Una salida al estancamiento podría venir en forma de circuitos ópticos en los que la información está codificada en luz en lugar de electrónica. En 2019, Un equipo de investigación de IBM, junto con socios del mundo académico, construyó el primer transistor totalmente óptico ultrarrápido del mundo capaz de funcionar a temperatura ambiente. El equipo ahora sigue con otra pieza del rompecabezas, una guía de ondas de silicio que conecta dichos transistores, llevando luz entre ellos con pérdidas mínimas.

El cableado de los transistores de un circuito óptico con guías de onda de silicio es un requisito importante para hacer compactos, chips altamente integrados. Esto se debe a que es más fácil colocar otros componentes necesarios, como electrodos, en sus inmediaciones si la guía de ondas está hecha de silicio. Las técnicas utilizadas para ese propósito se han perfeccionado durante décadas en la industria de los semiconductores.

Sin embargo, El silicio es un absorbente notoriamente fuerte de luz visible lo que lo hace ideal para capturar la luz solar en paneles fotovoltaicos, pero una mala elección para una guía de ondas donde la absorción de luz significa pérdida de señal.

Hacer una cerca para confinar la luz

Entonces, los investigadores de IBM pensaron en formas de utilizar la tecnología de silicio madura y evitar el problema de la absorción. Su solución involucra nanoestructuras llamadas rejillas de alto contraste con un comportamiento sorprendente que algunos de los miembros del equipo ya habían descubierto hace más de 10 años. aunque para otra aplicación.

Una rejilla de alto contraste consiste en "postes" de tamaño nanométrico alineados para formar una especie de cerca que evita que la luz se escape. Los postes tienen 150 nanómetros de diámetro y están espaciados de tal manera que la luz que pasa a través de los postes interfiere destructivamente con la luz que pasa entre postes. La interferencia destructiva es un fenómeno bien conocido por el cual las ondas que oscilan fuera de sincronía se cancelan entre sí en un punto del espacio. Afecta la luz, que es una onda electromagnética, al igual que el sonido y otros tipos de ondas. En este caso, la interferencia destructiva asegura que ninguna luz pueda "filtrarse" a través de la rejilla. En lugar de, la mayor parte de la luz se refleja en el interior de la guía de ondas. Los investigadores de IBM también demostraron que la absorción de luz dentro de los propios postes es mínima. Todo esto en conjunto se traduce en pérdidas de solo el 13 por ciento a lo largo de un recorrido de luz de 1 milímetro dentro de la guía de ondas. A modo de comparación:a lo largo de solo una centésima parte de esa distancia (10 micrómetros) en una guía de ondas de silicio puro sin las rejillas, las pérdidas ascenderían al 99,7 por ciento.

Simulaciones para un diseño de rejilla preciso

En su cara, la idea básica detrás de las rejillas de alto contraste parece simple. Sin embargo, De hecho, fue sorprendente cuando los investigadores descubrieron por primera vez que podían evitar que la luz fuera absorbida por un material "oscuro" como el silicio.

En 2010, cuando observaron por primera vez el efecto rejilla, Ocurrió en una microcavidad láser que ayudó porque la amplificación de la luz por el láser compensaría las pérdidas. También, tenían la luz incidiendo en las rejillas a casi 90 grados, que es un punto óptimo para que se active el efecto de rejilla. Pero mantener bajas las pérdidas en una guía de ondas sin el beneficio de la ganancia del láser y con una incidencia de luz casi rasante fue mucho más desafiante.

Para asegurarse de que el diseño de su rejilla esté a la altura de la tarea, el equipo realizó simulaciones que mostraban cómo la propagación de la luz dentro de la guía de ondas cambiaría con las diferentes dimensiones de la rejilla. Descubrieron que la rejilla proporcionaría una guía de luz eficiente sobre una amplia banda de longitudes de onda. Todo lo que tenían que hacer era elegir el espacio correcto entre los postes de la rejilla y hacer que los postes tuvieran el grosor correcto dentro de un margen de precisión de 15 nanómetros. Usando un proceso estándar de fabricación de fotónica de silicio, esos requisitos resultaron manejables. De hecho, los experimentos confirmaron lo que las simulaciones habían predicho en términos de baja pérdida de luz visible en el rango entre 550 y 650 nanómetros.

Beneficios potenciales para circuitos ópticos y más

El equipo encontró algunas pruebas a través de simulaciones de que este diseño puede usarse no solo para hacer guías de ondas rectas, sino también para guiar la luz en las esquinas. Pero aún no han realizado los experimentos para confirmar esta idea. Incluso si resulta factible, Se necesitará alguna optimización adicional para mantener bajas las pérdidas adicionales en ese caso. Mirando hacia el futuro, un próximo paso será diseñar el acoplamiento eficiente de la luz de las guías de ondas en otros componentes. Ese será un paso crucial en el proyecto de investigación exploratoria de varios años del equipo con el objetivo de integrar los transistores totalmente ópticos que demostraron en 2019 en circuitos integrados capaces de realizar operaciones lógicas simples.

El equipo cree que su guía de ondas de silicio de baja pérdida podría permitir nuevos diseños de chips fotónicos para su uso en biosensores y otras aplicaciones que dependen de la luz visible. También podría beneficiar la ingeniería de componentes ópticos más eficientes, como láseres y moduladores, ampliamente utilizados en telecomunicaciones.