Os pesquisadores da IBM conseguiram orientar a luz visível através de um fio de silício de forma eficiente, um marco importante na exploração de uma nova geração de produtos mais rápidos, circuitos lógicos mais eficientes.

Por décadas, a velocidade de nossos computadores tem crescido em um ritmo constante. O processador do primeiro IBM PC lançado há 40 anos, operado a uma taxa de aproximadamente 5 milhões de ciclos de clock por segundo (4,77 MHz). Hoje, os processadores em nossos computadores pessoais funcionam cerca de 1000 vezes mais rápido.

Contudo, com a tecnologia atual, eles provavelmente não ficarão mais rápidos do que isso.

Nos últimos 15 anos, a taxa de clock dos núcleos de processador único estagnou em alguns Gigahertz. E a abordagem antiga e testada de amontoar cada vez mais transistores em um chip não ajudará mais a ultrapassar esse limite. Pelo menos não sem quebrar o banco em termos de consumo de energia.

Uma saída para a estagnação poderia vir na forma de circuitos ópticos nos quais as informações são codificadas em luz, em vez de eletrônicos. Em 2019, uma equipe de pesquisa da IBM junto com parceiros da academia construíram o primeiro transistor totalmente óptico ultrarrápido do mundo capaz de operar em temperatura ambiente. A equipe agora segue com outra peça do quebra-cabeça, um guia de onda de silício que liga esses transistores, transportando luz entre eles com perdas mínimas.

Conectar os transistores de um circuito óptico com guias de onda de silício é um requisito importante para compactar, chips altamente integrados. Isso porque é mais fácil colocar outros componentes necessários, como eletrodos, nas proximidades, se o guia de ondas for feito de silício. As técnicas usadas para esse fim foram aprimoradas por décadas na indústria de semicondutores.

Contudo, o silício, sendo um absorvedor notoriamente forte da luz visível, o torna ótimo para capturar a luz do sol em painéis fotovoltaicos, mas uma escolha ruim para um guia de onda onde a absorção de luz significa perda de sinal.

Fazendo uma cerca para confinar a luz

Então, os pesquisadores da IBM pensaram em maneiras de usar a tecnologia de silício madura enquanto contornavam o problema de absorção. A solução deles envolve nanoestruturas chamadas grades de alto contraste com um comportamento marcante que alguns dos membros da equipe já haviam descoberto há mais de 10 anos, embora para outro aplicativo.

Uma grade de alto contraste consiste em "postes" do tamanho de nanômetros alinhados para formar uma espécie de cerca que impede a luz de escapar. Os postes têm 150 nanômetros de diâmetro e são espaçados de forma que a luz que passa pelos postes interfere destrutivamente com a luz que passa entre os postes. A interferência destrutiva é um fenômeno conhecido pelo qual as ondas que oscilam fora de sincronia se cancelam em um ponto do espaço. Afeta a luz, que é uma onda eletromagnética, assim como soa e outros tipos de onda. Nesse caso, a interferência destrutiva garante que nenhuma luz possa "vazar" pela grade. Em vez de, a maior parte da luz é refletida de volta para dentro do guia de ondas. Os pesquisadores da IBM também mostraram que a absorção de luz dentro dos próprios postes é mínima. Tudo isso junto se traduz em perdas de apenas 13 por cento ao longo de um caminho de viagem de luz de 1 milímetro dentro do guia de ondas. Para comparação:ao longo de apenas um centésimo dessa distância (10 micrômetros) em um guia de ondas de silício puro sem as grades, as perdas chegariam a 99,7%.

Simulações para design de grade preciso

Em sua cara, a ideia básica por trás das grades de alto contraste parece simples. Contudo, foi realmente surpreendente quando os pesquisadores descobriram pela primeira vez que podiam evitar que a luz fosse absorvida por um material "escuro" como o silício.

Em 2010, quando eles observaram o efeito de grade pela primeira vez, ocorria em uma microcavidade a laser, o que ajudava porque a amplificação da luz pelo laser compensaria as perdas. Também, eles tinham a luz atingindo as grades a quase 90 graus, o que é um ponto ideal para o efeito da grade entrar em ação. Mas manter as perdas baixas em um guia de ondas sem o benefício do ganho do laser e em uma incidência de luz quase rasa foi muito mais desafiador.

Para ter certeza de que seu design de grade estaria à altura da tarefa, a equipe fez simulações mostrando como a propagação da luz dentro do guia de ondas mudaria com as diferentes dimensões da grade. Eles descobriram que a grade forneceria um guia eficiente da luz por uma ampla faixa de comprimentos de onda. Tudo o que eles precisaram fazer foi escolher o espaçamento certo entre os postes da grade e fazer os próprios postes com a espessura certa dentro de uma margem de precisão de 15 nanômetros. Usando um processo de fabricação de fotônica de silício padrão, esses requisitos provaram ser administráveis. Na verdade, os experimentos confirmaram o que as simulações previam em termos de baixa perda de luz visível na faixa de 550 a 650 nanômetros.

Benefícios potenciais para circuitos ópticos e além

A equipe encontrou algumas evidências por meio de simulações de que este projeto pode ser usado não apenas para fazer guias de ondas retas, mas também para guiar a luz em torno dos cantos. Mas eles ainda não fizeram os experimentos para confirmar essa ideia. Mesmo que seja viável, alguma otimização adicional será necessária para manter as perdas adicionais baixas nesse caso. Olhando para a frente, uma próxima etapa será projetar o acoplamento eficiente da luz dos guias de onda em outros componentes. Essa será uma etapa crucial no projeto de pesquisa exploratória de vários anos da equipe com o objetivo de integrar os transistores totalmente ópticos que eles demonstraram em 2019 em circuitos integrados capazes de realizar operações lógicas simples.

A equipe acredita que seu guia de onda de silício de baixa perda pode permitir novos designs de chips fotônicos para uso em biossensor e outras aplicações que dependem de luz visível. Também poderia beneficiar a engenharia de componentes ópticos mais eficientes, como lasers e moduladores amplamente usados ​​em telecomunicações.