Ao contrário da tremenda história de sucesso da integração eletrônica, a integração fotônica ainda está em sua infância. Um dos obstáculos mais sérios que enfrenta é a necessidade de usar uma variedade de materiais para realizar diferentes funções - ao contrário da integração eletrônica. Para complicar ainda mais, muitos dos materiais necessários para a integração fotônica não são compatíveis com a tecnologia de integração de silício.

As tentativas até agora de colocar uma variedade de nanofios funcionais dentro de circuitos fotônicos para alcançar as funcionalidades desejadas mostraram que, embora seja totalmente possível, os nanofios tendem a ser muito pequenos para confinar a luz com eficácia. Enquanto nanofios maiores podem melhorar o confinamento da luz e o desempenho, ele aumenta o consumo de energia e a área ocupada pelo dispositivo - ambos considerados "fatais" quando se trata de integração.

Resolvendo este problema, um grupo de pesquisadores da NTT Corp. no Japão surgiu com uma abordagem que envolve a combinação de um nanofio de subcomprimento de onda com uma plataforma de cristal fotônico, que eles relatam esta semana no jornal APL Photonics .

Cristais fotônicos - estruturas artificiais cujo índice de refração é modulado periodicamente - estão no centro de seu trabalho.

"Um pequeno índice de modulação de refração local de um cristal fotônico produz forte confinamento de luz que leva a nanorressonadores ópticos de qualidade ultra-alta, "disse Masaya Notomi, um distinto cientista sênior dos Laboratórios de Pesquisa Básica da NTT. "Fazemos uso total desse recurso específico em nosso trabalho."

Em 2014, esse mesmo grupo demonstrou que era possível confinar fortemente a luz em um nanofio de subcomprimento de onda com diâmetro de 100 nanômetros, colocando-o em um cristal fotônico de silício. Naquela hora, “foi uma demonstração preliminar do mecanismo de confinamento, mas com nosso trabalho atual, demonstramos com sucesso a operação de dispositivos de nanofios de subcomprimento de onda em uma plataforma de silício usando este método, "Notomi disse.

Em outras palavras:embora um nanofio de subcomprimento de onda não possa se tornar um ressonador com forte confinamento de luz por conta própria, quando colocado em um cristal fotônico, causa a modulação do índice de refração necessária para gerar o confinamento de luz.

"Pelo nosso trabalho, preparamos cuidadosamente um nanofio semicondutor III-V com ganho óptico suficientemente grande e o colocamos dentro de uma fenda de um cristal fotônico de silício usando a 'técnica de manipulação de nanossonda, 'que resulta em um nanorressonador óptico, "disse Masato Takiguchi, o autor principal do artigo e pesquisador que trabalha no grupo de Notomi nos Laboratórios de Pesquisa Básica da NTT. "Com uma série de caracterizações cuidadosas, demonstramos que este nanofio de subcomprimento de onda pode exibir oscilação de lasing de onda contínua e modulação de sinal de alta velocidade a 10 Gbps. "

Para usar lasers de nanofios para integração fotônica, três requisitos essenciais devem ser atendidos. "Primeiro, um nanofio deve ser o menor possível para um confinamento de luz suficientemente forte, que garante uma pegada ultrapequena e consumo de energia, "Takiguchi disse." Em segundo lugar, um laser nanofio deve ser capaz de gerar sinais de alta velocidade. Terceiro, o comprimento de onda do laser deve ser maior do que 1,2 mícron para evitar a absorção no silício, por isso, é importante criar lasers de nanofios de subcomprimento de onda em comprimentos de onda de comunicação óptica - 1,3 a 1,55 mícrons - capazes de modulação de sinal de alta velocidade. "

Na verdade, demonstrações anteriores de lasers baseados em nanofios "foram todas em comprimentos de onda menores que 0,9 mícron, que não pode ser usado para circuitos integrados fotônicos de silício, exceto uma demonstração de laser pulsado de lasers de fio de mícron relativamente grossos em 1,55 mícron, "Notomi disse. Isso provavelmente ocorre porque o ganho de material é menor em comprimentos de onda mais longos, o que torna difícil para nanofios finos obter lasing.

Além disso, "nenhuma demonstração de modulação de alta velocidade por qualquer tipo de nanofios se materializou, "observou. Isso também se deve ao pequeno ganho de volume.

"Com o nosso trabalho atual, resolvemos esses problemas combinando um nanofio e um cristal fotônico de silício, "Notomi disse." Nosso resultado é a primeira demonstração da oscilação do laser de onda contínua por um nanofio de subcomprimento de onda, bem como a primeira demonstração de modulação de sinal de alta velocidade por um laser de nanofios. "

O grupo conseguiu atingir a modulação de 10 Gbps, que é comparável ao convencional, lasers de alta velocidade modulados diretamente usados ​​para comunicações ópticas.

"Isso prova que os lasers de nanofios são promissores para o processamento de informações - especialmente circuitos integrados fotônicos, "Notomi disse.

A aplicação mais promissora para o presente trabalho do grupo são os circuitos de integração fotônica baseados em nanofios, para o qual eles usarão vários nanofios diferentes para alcançar diferentes funcionalidades, como lasers, fotodetectores, e interruptores em circuitos integrados fotônicos de silício.

"Espera-se que processadores equipados com uma rede fotônica on-chip sejam necessários em cerca de 15 anos, e a integração fotônica baseada em nanofios será uma solução possível, "Notomi disse.

Em termos de lasers, o próximo objetivo do grupo é integrar lasers de nanofios com guias de onda de entrada / saída.

"Embora esse tipo de integração tenha sido uma tarefa difícil para dispositivos baseados em nanofios, esperamos que seja muito mais fácil em nossa plataforma porque a plataforma de cristal fotônico é intrinsecamente superior em termos de conexão de guia de ondas, "Takiguchi disse." Faremos o uso de lasing movido a corrente à temperatura ambiente também. "

O grupo também planeja usar a mesma técnica para criar "outros dispositivos fotônicos além dos lasers, escolhendo diferentes nanofios, "Takiguchi disse." Queremos demonstrar que somos capazes de integrar uma série de dispositivos fotônicos, tendo diferentes funcionalidades em um único chip. "