Fotônica abre caminho para chips de luz

David Orenstein - 31/10/2005

Cientistas inventaram um componente-chave que pode facilmente ser construído no interior dos chips para quebrar um feixe de raios laser em bilhões de bits de dados por segundo.
[Imagem: Stanford]

Processadores de luz

A luz pode transportar dados a velocidades muito mais altas do que a eletricidade, mas sempre foi muito difícil e caro utilizá-la para transmitir dados no interior dos chips.

Agora, engenheiros da Universidade de Stanford conseguiram solucionar uma parte desse problema.

Eles inventaram um componente-chave que pode facilmente ser construído no interior dos chips para quebrar um feixe de raios laser em bilhões de bits de dados (zeros e uns) por segundo.

A descoberta poderá permitir que os chips transmitam dados a uma velocidade muito superior à obtida hoje.

Optoeletrônica

"A maioria da optoeletrônica de alto desempenho - o aparato que conecta a óptica e a eletrônica - é feita de materiais razoavelmente exóticos, e tem sido difícil juntá-los com o silício," explica David A. B. Miller, um dos pesquisadores. "Em última instância, você irá querer uma plataforma para fazer tudo, e será uma grande vantagem se essa plataforma for baseada no silício."

Esta plataforma única está agora muito mais perto da realidade. A descoberta, que, além de Miller, inclui o professor James Harris, foi anunciada no exemplar de 27 de Outubro da revista Nature.

Modulador de silício

Ela permite que um minúsculo modulador - um obturador de estado sólido - seja feito de silício e germânio. Como o silício e o germânio são elementos comuns na indústria microeletrônica, o modulador poderá ser construído no interior dos chips facilmente e a um custo muito baixo.

Esse modulador pode transformar um feixe de laser em uma seqüência de dados digitais, absorvendo seletivamente o feixe (um 0) ou permitindo que ele continue passando (um 1). Isso poderá abrir caminho para, no mínimo, que as conexões entre chips utilizem luz.

Conexões elétricas têm funcionado muito bem até agora, mas a projeção das taxas de transmissão de dados do futuro tem forçado os engenheiros a procurar enfoques alternativos, tais como aqueles nos quais a luz desempenha um papel preponderante.

Miller e Harris estimam que o novo modulador, que poderá ter apenas um milionésimo de metro de comprimento e de largura, poderá ser construído para operar a velocidades superiores a 100 bilhões de vezes por segundo, o que é 50 vezes mais rápido do que a taxa de transferência de dados encontrada nos equipamentos de informática atuais e tão rápido quanto as taxas previstas para as comunicações ópticas.

Sabedoria convencional

Para construir o modulador, o grupo de pesquisas de Harris e Miller teve que desafiar a sabedoria convencional, de que a física que não lhes permitiria construí-lo, diz o estudante Yu-Hsuan Kuo.

Compreender como os elétrons absorvem - ou não absorvem - a luz que lhes atinge, é crucial para se entender porque os cientistas acreditavam que seria impossível construir um modulador à base de germânio, e como a equipe de Miller e Harris atingiu um grau de entendimento que surpreendeu até mesmo a eles próprios.

Os elétrons podem existir apenas em órbitas específicas ao redor do centro dos átomos. Cada órbita é associada com um nível de energia. Quando uma luz com determinada quantidade de energia - ou comprimento de onda - atinge um elétron com a mesma quantidade determinada de energia, o elétron absorve a luz, utilizando-a para saltar para a próxima órbita.

Efeito Stark

Aplicando-se um forte campo elétrico ao átomo pode-se alterar o comprimento de onda da luz que o elétron irá absorver. Esse processo é conhecido há mais de um século, como efeito Stark.

O efeito Stark permite que os materiais funcionem como obturadores para determinados comprimentos de onda da luz, absorvendo um ou outro à medida que os engenheiros ligam ou desligam o campo elétrico. Com os próprios átomos, os campos exigidos para se produzir o efeito Stark são muito grandes, exigindo uma voltagem elevada demais para se utilizar no interior de um chip.

Mas, em finíssimas camadas de alguns materiais, uma versão forte e sensível desse processo, conhecida como efeito Stark de quantum confinado, ocorre a voltagens aceitáveis. Muitos dos equipamentos de telecomunicações de última geração utilizam finíssimas camadas de materiais que produzem esse efeito para transmitir dados por meio de cabos de fibras ópticas.

Efeito Stark no silício

O truque foi fazer esse efeito Stark funcionar em materiais compatíveis com a fabricação de chips. Tanto o silício quanto o germânio pertencem ao grupo de materiais onde os elétrons não parecem ter um formato favorável para que se dê o efeito Stark.

O que os cientistas descobriram foi que essa comumente aceita aparência desfavorável do germânio era falsa. De fato, os níveis de energia no germânio que são essencialmente imunes ao efeito Stark, estavam obscurecendo níveis de energia mais promissores.

Os pesquisadores então construíram e testaram um modulador de silício-germânio para ver se poderiam realmente explorar o efeito Stark no germânio.

O que eles descobriram é que, quando as camadas de germânio estão adequadamente situadas em um cristal com silício, seus elétrons não "vazam" dos níveis favoráveis para os níveis desfavoráveis. Ou seja, o efeito Stark de fato funciona no germânio.

Inesperado

O que eles não previram é quão bem ele funciona. "O surpreendente é que o efeito realmente funciona tão bem quanto na maioria dos moduladores normais - e melhor do que em muitos deles," diz Harris. Em outras palavras, utilizar esses moduladores, que são compatíveis com os chips de computadores, não irá prejudicar o desempenho desses chips.

O próximo passo para a equipe de pesquisadores é mostrar que eles conseguem construir seus moduladores para comprimentos de onda normalmente utilizados em telecomunicações. Eles estão confiantes que poderão fazê-lo, e que sua descoberta poderá ajudar a se chegar a uma era mais "luminosa" na computação e nas comunicações.

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