Los físicos de la Universidad Técnica de Munich (TUM) han desarrollado un nanolaser, mil veces más delgado que un cabello humano. Gracias a un ingenioso proceso, los láseres de nanocables crecen directamente en un chip de silicio, haciendo posible producir componentes fotónicos de alto rendimiento de forma rentable. Esto allanará el camino para un procesamiento de datos rápido y eficiente con luz en el futuro.

Cada vez más pequeño, cada vez más rápido, cada vez más barato:desde el comienzo de la era de las computadoras, el rendimiento de los procesadores se ha duplicado en promedio cada 18 meses. Ya hace 50 años, El cofundador de Intel, Gordon E. Moore, pronosticó este asombroso crecimiento en el rendimiento. Y la ley de Moore parece mantenerse fiel hasta el día de hoy.

Pero la miniaturización de la electrónica está llegando a sus límites físicos. "Hoy ya, los transistores tienen un tamaño de unos pocos nanómetros. Otras reducciones son tremendamente caras, "dice el profesor Jonathan Finley, Director del Instituto Walter Schottky en TUM. "Mejorar el rendimiento solo se puede lograr reemplazando electrones con fotones, es decir, partículas de luz ".

Fotónica:la bala de plata de la miniaturización

La transmisión y el procesamiento de datos con luz tiene el potencial de romper las barreras de la electrónica actual. De hecho, ya existen los primeros chips fotónicos basados ​​en silicio. Sin embargo, las fuentes de luz para la transmisión de datos deben estar unidas al silicio en procesos de fabricación complicados y elaborados. Los investigadores de todo el mundo están buscando enfoques alternativos.

Los científicos de la TU de Múnich ahora han tenido éxito en este esfuerzo:el Dr. Gregor Koblmüller del Departamento de Nanosistemas Cuánticos de Semiconductores ha, en colaboración con Jonathan Finley, desarrolló un proceso para depositar nanoláseres directamente sobre chips de silicio. La patente de la tecnología está pendiente.

Hacer crecer un semiconductor III-V en silicio requiere una experimentación tenaz. "Los dos materiales tienen diferentes parámetros de celosía y diferentes coeficientes de expansión térmica. Esto conduce a deformaciones, "explica Koblmüller". Por ejemplo, El crecimiento plano convencional de arseniuro de galio sobre una superficie de silicio da lugar, por tanto, a un gran número de defectos ".

El equipo de TUM resolvió este problema de una manera ingeniosa:al depositar nanocables independientes sobre silicio, sus huellas son simplemente unos pocos nanómetros cuadrados. De este modo, los científicos podrían evitar la aparición de defectos en el material de GaAs.

Átomo por átomo a un nanoalambre

Pero, ¿cómo se convierte un nanoalambre en un láser de cavidad vertical? Para generar luz coherente, los fotones deben reflejarse en los extremos superior e inferior del cable, amplificando así la luz hasta que alcanza el umbral deseado para el láser.

Para cumplir estas condiciones, los investigadores tuvieron que desarrollar un sencillo solución sofisticada:"La interfaz entre el arseniuro de galio y el silicio no refleja la luz lo suficiente. Por lo tanto, construimos un espejo adicional:una capa de óxido de silicio de 200 nanómetros de espesor que evaporamos sobre el silicio, "explica Benedikt Mayer, Candidato a doctorado en el equipo dirigido por Koblmüller y Finley. "A continuación, se pueden grabar pequeños agujeros en la capa de espejo. Con epitaxia, los nanocables semiconductores se pueden cultivar átomo por átomo a partir de estos agujeros ".

Solo una vez que los cables sobresalen de la superficie del espejo, pueden crecer lateralmente, hasta que el semiconductor sea lo suficientemente grueso como para permitir que los fotones se muevan hacia adelante y hacia atrás para permitir la emisión estimulada y el láser. "Este proceso es muy elegante porque nos permite colocar los láseres de nanocables directamente también en guías de ondas en el chip de silicio, "dice Koblmüller.

Investigación básica sobre el camino hacia las aplicaciones

En la actualidad, Los nuevos láseres de nanocables de arseniuro de galio producen luz infrarroja a una longitud de onda predefinida y bajo excitación pulsada. "En el futuro, queremos modificar la longitud de onda de emisión y otros parámetros del láser para controlar mejor la estabilidad de la temperatura y la propagación de la luz bajo excitación continua dentro de los chips de silicio". "agrega Finley.

El equipo acaba de publicar sus primeros éxitos en esta dirección. Y han puesto su mirada firmemente en su próximo objetivo:"Queremos crear una interfaz eléctrica para que podamos operar los nanocables bajo inyección eléctrica en lugar de depender de láseres externos". "explica Koblmüller.

"El trabajo es un requisito previo importante para el desarrollo de componentes ópticos de alto rendimiento en las computadoras del futuro, "resume Finley." Pudimos demostrar que es posible fabricar chips de silicio con láseres de nanocables integrados ".