Inovação na fabricação de nano lasers empurra tecnologia para nova era

Nova geração de nano laser semicondutor torna interconexões de dados que se comunicam com luz ou elétrons altamente eficiente.

taniager

17 Maio 2011 | 13h35

Buracos no “wafer” são como um salão de espelhos para refletir fótons de volta ao centro do laser. Crédito: Jelena Vuckovic.

Buracos no “wafer” são como um salão de espelhos para refletir fótons de volta ao centro do laser. Crédito: Jelena Vuckovic.

O futuro tecnológico mundial depende de uma vasta quantidade de energia para alimentar o boom de inovações. Novas tecnologias têm sido desenvolvidas a um passo acelerado para aumentar a velocidade de transmissão de dados e reduzir seu consumo. 

Agora, uma equipe composta por engenheiros elétricos das universidades de Standford e da California-Berkeley, EUA, produziu uma nova geração de laser semicondutor altamente eficiente em nano escala. O minúsculo laser é bem mais rápido e de consumo muito mais baixo que o dos atuais, prometendo uma nova era para as interconexões de dados que se comunicam com luz ou elétrons. O artigo foi publicado na revista Nature Photonics hoje.

A professora de engenharia elétrica em Standford e líder da equipe, Jelena Vuckovic, explica que o minúsculo transmissor de dados ótico – um laser – usa 1000 vezes menos energia e é 10 vezes mais rápido que os da melhor tecnologia encontrados no mercado atual. Também acredita que este potencial ainda pode ser aumentado.

“Nós ainda precisamos de um laser eletrônico, e não de luz”, disse Vuckovic. Acrescenta que o único laser de cristal fotônico  que operava em circuitos elétricos era ineficiente e de difícil fabricação, tornando-o impraticável comercialmente. O laser produzido pela equipe tem fabricação fácil e seu consumo é drasticamente menor.

Processo de fabricação do laser

O laser foi criado a partir do “crescimento” de um “wafer” (como uma bolacha em camadas) de arsenieto de gálio, um cristal semicondutor, usando um feixe que borrifava moléculas para criar camadas, uma por uma. Em determinados pontos do processo de disposição em camadas, três camadas finas de um segundo cristal, o arseneto de índio, eram adicionadas. Uma seção transversal revela que o arseneto de índio aparece como pequenos geradores ou moinhos – pontos quânticos – dentro do “wafer”.

Ao atingir 220 nanômetros de espessura – a dimensão poderia ir além deste valor caso fossem adicionadas mais camadas –, os engenheiros doparam duas áreas distintas no topo da pilha de camadas com íons. Implantaram íons de silício em uma área e íons de berílio em outra.

Estas duas regiões são pouco visíveis na superfície, e ampliam-se em direção uma à outra, aproximando-se, mas nunca se encontrando no centro da bolacha. Estas regiões de íons ajudam a concentrar o fluxo de corrente em uma área muito precisa no núcleo do wafer onde a luz é emitida, melhorando o desempenho do laser.

O wafer básico criado recebeu, em seguida, uma impressão no padrão de favo de mel com orifícios circulares muito precisos. Vuckovic ressalta a importância da precisão dos buracos para o funcionamento do laser, uma vez que atuam como espelhos ao refletirem fótons de volta para o centro deste dispositivo.

No coração do wafer, os fótons são concentrados e amplificados em uma minúscula bola de luz – um laser – a qual pode ser modulada em até 100 bilhões de vezes por segundo, 10 vezes os melhores transmissores de dados atuais. Assim, a luz se transforma em dados binários – a luz acesa é 1, a luz apagada é 0.

Em uma das extremidades de um circuito semicondutor, o laser funciona como um transmissor que irradia luz em uma frequência de 0 a 1 segundo, como descargas de luz. Em outra extremidade, ele é um receptor que reverte as descargas de luz em impulsos elétricos.

Para conectar as extremidades, um filamento de fibra ótica – centenas de vezes mais fino que um cabelo humano – foi aquecido. A luz que sai de um laser viaja ao longo da fibra até a próxima conexão no circuito.  

Tudo isso acontece em uma camada centenas de vezes tão fina destes transmissores nanofotônicos que eles poderiam ser organizados em uma única camada, e muitas camadas poderiam então ser empilhadas em um único chip.

Ainda há um problema a ser resolvido: o novo laser opera em temperaturas relativamente baixas, menores de 150 graus Kelvin (123,15 o C negativos). Mas, Vuckovic tem esperança de que melhorias no processo poderiam ajudar a desenvolver um laser que funcione em temperatura ambiente sem perder o baixo consumo de energia, mil vezes menor que o das tecnologias atuais.