Miles de millas de cables de fibra óptica se entrecruzan en todo el mundo y empaquetan todo, desde datos financieros hasta videos de gatos. Pero cuando la señal llega a su centro de datos local, se topa con un cuello de botella de silicio. En lugar de luz las computadoras funcionan con electrones que se mueven a través de chips basados ​​en silicio, que, a pesar de los grandes avances, son aún menos eficientes que la fotónica.

Para romper este cuello de botella los investigadores están intentando integrar la fotónica en dispositivos de silicio. Han estado desarrollando láseres, un componente crucial de los circuitos fotónicos, que funcionan a la perfección con el silicio. En un documento que aparece esta semana en APL Photonics , investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara escribe que el futuro de los láseres basados ​​en silicio puede ser muy pequeño, estructuras en forma de átomo llamadas puntos cuánticos.

Estos láseres podrían ahorrar mucha energía. Reemplazar los componentes electrónicos que conectan los dispositivos con componentes fotónicos podría reducir el uso de energía entre un 20 y un 75 por ciento. Justin Norman, un estudiante de posgrado en UC Santa Barbara, dijo. "Es una reducción sustancial del consumo de energía global con solo tener una forma de integrar láseres y circuitos fotónicos con silicio".

Silicio, sin embargo, no tiene las propiedades adecuadas para los láseres. En cambio, los investigadores han recurrido a una clase de materiales de los Grupos III y V de la tabla periódica porque estos materiales se pueden integrar con el silicio.

Inicialmente, los investigadores lucharon por encontrar un método de integración funcional, pero finalmente terminó usando puntos cuánticos porque se pueden cultivar directamente en silicio, Dijo Norman. Los puntos cuánticos son partículas semiconductoras de sólo unos pocos nanómetros de ancho, lo suficientemente pequeñas como para comportarse como átomos individuales. Cuando se maneja con corriente eléctrica, los electrones y los huecos cargados positivamente quedan confinados en los puntos y se recombinan para emitir luz, una propiedad que se puede aprovechar para fabricar láseres.

Los investigadores fabricaron sus láseres de puntos cuánticos III-V utilizando una técnica llamada epitaxia de haz molecular. Depositan el material III-V sobre el sustrato de silicio, y sus átomos se autoensamblan en una estructura cristalina. Pero la estructura cristalina del silicio difiere de los materiales III-V, conduciendo a defectos que permiten que los electrones y los huecos escapen, rendimiento degradante. Afortunadamente, Debido a que los puntos cuánticos están empaquetados a altas densidades (más de 50 mil millones de puntos por centímetro cuadrado), capturan electrones y huecos antes de que se pierdan las partículas.

Estos láseres tienen muchas otras ventajas, Dijo Norman. Por ejemplo, los puntos cuánticos son más estables en los circuitos fotónicos porque tienen estados de energía localizados similares a los de un átomo. También pueden funcionar con menos energía porque no necesitan tanta corriente eléctrica. Es más, pueden operar a temperaturas más altas y reducirse a tamaños más pequeños.

Solo en el último año Los investigadores han logrado avances considerables gracias a los avances en el crecimiento material, Dijo Norman. Ahora, los láseres operan a 35 grados Celsius sin mucha degradación y los investigadores informan que la vida útil podría ser de hasta 10 millones de horas.

Ahora están probando láseres que pueden operar entre 60 y 80 grados Celsius, el rango de temperatura más típico de un centro de datos o supercomputadora. También están trabajando en el diseño de guías de ondas epitaxiales y otros componentes fotónicos, Dijo Norman. "Repentinamente, " él dijo, "Hemos avanzado tanto que las cosas parecen un poco más a corto plazo".