Nanolaser sobre silício abre caminho para chips fotônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/02/2011

O nanolaser foi cultivado diretamente sobre a pastilha de silício, abrindo caminho para sua utilização no futuros chips fotônicos, que trocam dados por luz.
[Imagem: Connie Chang-Hasnain Group]

Pesquisadores da Universidade de Berkeley, nos Estados Unidos, desenvolveram uma técnica para construir nanolasers diretamente sobre uma pastilha de silício.

Com a larga aplicabilidade atual dos lasers, a descoberta terá grande impacto em diversas áreas, incluindo a criação de processadores e chips que trocam dados por luz, em vez de eletricidade.

"Nossos resultados impactam uma vasta gama de áreas científicas, incluindo ciência dos materiais, tecnologia de transistores, ciência do laser, optoeletrônica e física óptica," estima Connie Chang-Hasnain, coordenador da pesquisa.

Conexões por luz

As exigências cada vez maiores de desempenho no campo da eletrônica e da informática levaram os pesquisadores a procurar formas de usar a luz em lugar da corrente elétrica, transmitindo mais dados a uma velocidade muito maior.

Hoje, as interconexões ópticas são vistas como a solução mais promissora para resolver os gargalos de comunicação cada vez maiores entre os chips de computador e dentro dos próprios chips, sobretudo dos processadores multinúcleos.

Como o silício, o material que constitui a base da eletrônica moderna, é muito deficiente na geração de luz, os pesquisadores se voltaram para outra classe de substâncias, conhecidas como III-V (pronuncia-se três-cinco) - uma referência à posição que esses elementos ocupam na Tabela Periódica.

Os materiais III-V estão sendo usados para criar diodos emissores de luz (LEDs) e lasers.

Mas inserir esses componentes nas pastilhas de silício não é uma tarefa fácil porque as estruturas atômicas dos materiais III-V e do silício são incompatíveis.

A inserção até pode ser feita, mas um deles ficará irremediavelmente danificado no processo - o crescimento dos componentes feitos com os materiais III-V normalmente é feito a temperaturas na faixa dos 700 graus Celsius, o que destrói qualquer circuito eletrônico à base de silício.

E com os investimentos maciços nas fábricas atuais, é muito mais fácil tentar trabalhar junto com o silício do que simplesmente querer substituí-lo.

A luz circula para cima e para baixo no nanolaser, seguindo uma rota helicoidal, amplificando-se por meio desse mecanismo de feedback óptico.
[Imagem: Connie Chang-Hasnain Group]

Nanolaser

Agora, os pesquisadores encontraram uma maneira de cultivar nanopilares de arseneto de índio-gálio - ou InGaAs, um dos mais usados materiais III-V - em uma superfície de silício, a uma temperatura relativamente fria de 400 graus Celsius.

Os pesquisadores usaram uma técnica chamada deposição de vapor químico metal-orgânico para cultivar seus nanopilares sobre a pastilha de silício, criando um nanolaser, um laser em escala nanométrica.

"Esta técnica é viável para a produção em massa, uma vez que esse sistema já é utilizado comercialmente para produzir células solares de película fina e diodos emissores de luz," afirma Chang-Hasnain.

Uma vez que o nanopilar foi construído, os pesquisadores demonstraram que ele é capaz de gerar luz laser na faixa do infravermelho próximo - com um comprimento de onda de 950 nanômetros - a temperatura ambiente.

A geometria hexagonal da estrutura cristalina do nanopilar desempenha um papel crucial para transformá-lo em um nanolaser, ao criar uma cavidade óptica que captura a luz de forma muito eficiente.

A luz circula para cima e para baixo no nanolaser, seguindo uma rota helicoidal, amplificando-se por meio desse mecanismo de feedback óptico.

Nanofotônica

As minúsculas dimensões dos nanopilares - com extremidades menores do que o comprimento de onda, em alguns casos - tornam possível acondicioná-los em espaços muito pequenos, com a vantagem de que eles consumem muito pouca energia.

Já nascendo miniaturizados, e sobre uma pastilha de silício, os nanolasers têm todo o potencial para serem incorporados em circuitos de interconexão óptica.

"Em última instância, esta técnica pode fornecer uma nova rota de desenvolvimento para construir componentes nanofotônicos no interior de chips, tais como lasers, fotodetectores, moduladores e células solares," disse Chen.

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