p A Semiconductor Industry Association estimou que, com as taxas atuais de aumento, as necessidades de energia dos computadores excederão a produção total de energia do mundo em 2040. p Usar luz em vez de eletricidade para mover dados reduziria drasticamente o consumo de energia dos chips de computador, e nos últimos 20 anos assistimos a um progresso notável no desenvolvimento da fotônica de silício, ou dispositivos ópticos feitos de silício para que possam ser facilmente integrados com componentes eletrônicos em chips de silício.

p Mas os dispositivos fotônicos de silício existentes dependem de mecanismos físicos diferentes dos componentes optoeletrônicos de última geração das redes de telecomunicações. Os dispositivos de telecomunicações exploram as chamadas não linearidades de segunda ordem, que tornam o processamento de sinais ópticos mais eficiente e confiável.

p Na última edição de Nature Photonics , Os pesquisadores do MIT apresentam uma maneira prática de introduzir não linearidades de segunda ordem na fotônica de silício. Eles também relatam protótipos de dois dispositivos de silício diferentes que exploram essas não linearidades:um modulador, que codifica dados em um feixe óptico, e um dobrador de frequência, um componente vital para o desenvolvimento de lasers que podem ser precisamente ajustados a uma gama de frequências diferentes.

p Na ótica, um sistema linear é aquele cujas saídas estão sempre nas mesmas frequências de suas entradas. Então, um dobrador de frequência, por exemplo, é um dispositivo inerentemente não linear.

p "Agora temos a capacidade de ter uma não linearidade de segunda ordem no silício, e esta é a primeira demonstração real disso, "diz Michael Watts, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT e autor sênior do novo artigo.

p "Agora você pode construir um modulador de fase que não dependa do efeito da portadora livre no silício. A vantagem disso é que o efeito da portadora livre no silício sempre tem um acoplamento de fase e amplitude. Portanto, sempre que você alterar a concentração da portadora, você está mudando a fase e a amplitude da onda que está passando por ele. Com não linearidade de segunda ordem, você quebra esse acoplamento, então você pode ter um modulador de fase puro. Isso é importante para muitos aplicativos. Certamente no domínio das comunicações isso é importante. "

p O primeiro autor do novo artigo é Erman Timurdogan, que completou seu PhD no MIT no ano passado e agora está na empresa de silício-fotônica Analog Photonics. Ele e Watts são acompanhados por Matthew Byrd, um estudante de pós-graduação do MIT em engenharia elétrica e ciência da computação, e Christopher Poulton, que fez mestrado no grupo de Watts e agora também está na Analog Photonics.

p Soluções Dopey

p Se uma onda eletromagnética pode ser considerada como um padrão de rabiscos regulares para cima e para baixo, um modulador digital perturba esse padrão de maneiras fixas para representar sequências de zeros e uns. Em um modulador de silício, o caminho que a onda de luz percorre é definido por um guia de ondas, que é como um trilho que corre ao longo da parte superior do modulador.

p Os moduladores de silício existentes são dopados, o que significa que impurezas foram adicionadas a eles por meio de um processo padrão usado na fabricação de transistores. Alguns materiais de dopagem produzem silício tipo p, onde o "p" é para "positivo, "e alguns produzem silício tipo n, onde o "n" significa "negativo". Na presença de um campo elétrico, portadores livres - elétrons que não estão associados a átomos de silício específicos - tendem a se concentrar no silício do tipo n e se dissipar no silício do tipo p.

p Um modulador de silício convencional é meio silício tipo p e meio silício tipo n; até mesmo o guia de ondas é dividido ao meio. Em ambos os lados do guia de ondas estão eletrodos, e mudar a voltagem através do modulador alternadamente concentra e dissipa portadoras livres no guia de ondas, para modular a passagem de um sinal óptico.

p O dispositivo dos pesquisadores do MIT é semelhante, exceto que o centro do modulador - incluindo o guia de ondas que corre ao longo de sua parte superior - não tem dopagem. Quando uma tensão é aplicada, as operadoras gratuitas não recolhem no centro do dispositivo; em vez de, eles se acumulam na fronteira entre o silício tipo n e o silício não dopado. Uma carga positiva correspondente se acumula no limite com o silício tipo p, produzindo um campo elétrico, que é o que modula o sinal óptico.

p Como os portadores livres no centro de um modulador de silício convencional podem absorver partículas de luz - ou fótons - viajando através do guia de ondas, eles diminuem a força do sinal óptico; moduladores que exploram não linearidades de segunda ordem não enfrentam esse problema.

p Ganhando velocidade

p Em princípio, eles também podem modular um sinal mais rapidamente do que os moduladores de silício existentes. Isso porque leva mais tempo para mover os portadores livres para dentro e para fora do guia de onda do que para concentrá-los e liberá-los nas fronteiras com o silício não dopado. O presente artigo simplesmente relata o fenômeno da modulação não linear, mas Timurdogan diz que a equipe já testou
protótipos de um modulador cujas velocidades são competitivas com as dos moduladores não lineares encontrados em redes de telecomunicações.

p O dobrador de frequência que os pesquisadores demonstraram tem um design semelhante, exceto que as regiões de silício dopado com p e n que flanqueiam a região central de silício não dopado são arranjadas em bandas regularmente espaçadas, perpendicular ao guia de ondas. As distâncias entre as bandas são calibradas para um comprimento de onda de luz específico, e quando uma tensão é aplicada a eles, eles dobram a frequência do sinal óptico que passa pelo guia de ondas, combinar pares de fótons em fótons únicos com o dobro da energia.

p Os dobradores de frequência podem ser usados ​​para construir relógios ópticos no chip extraordinariamente precisos, amplificadores ópticos, e fontes de radiação terahertz, que tem aplicativos de segurança promissores.

p "O silício teve um grande renascimento no espaço de comunicação óptica para uma variedade de aplicações, "diz Jason Orcutt, pesquisador do Departamento de Ciências Físicas do Thomas J. Watson Research Center da IBM. "Contudo, ainda existem espaços de aplicação restantes - da fotônica de microondas à óptica quântica - onde a falta de efeitos não lineares de segunda ordem no silício impediu o progresso. Este é um passo importante para abordar uma gama mais ampla de aplicações dentro das plataformas fotônicas de silício maduras em todo o mundo. "

p "A data, esforços para alcançar efeitos não lineares de segunda ordem no silício têm se concentrado em problemas de ciência de materiais duros, "Orcutt acrescenta." A equipe [do MIT] foi extremamente inteligente ao lembrar à comunidade da física o que não deveríamos ter esquecido. A aplicação de um campo elétrico simples cria o mesmo vetor de polarização de cristal básico que outros pesquisadores trabalharam duro para criar por meios muito mais complicados. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.