La Semiconductor Industry Association ha stimato che agli attuali tassi di aumento, il fabbisogno energetico dei computer supererà la potenza totale mondiale entro il 2040.

L'uso della luce anziché dell'elettricità per spostare i dati ridurrebbe drasticamente il consumo energetico dei chip dei computer, e gli ultimi 20 anni hanno visto notevoli progressi nello sviluppo della fotonica del silicio, o dispositivi ottici realizzati in silicio in modo che possano essere facilmente integrati con l'elettronica su chip di silicio.

Ma i dispositivi fotonici al silicio esistenti si basano su meccanismi fisici diversi rispetto ai componenti optoelettronici di fascia alta nelle reti di telecomunicazioni. I dispositivi di telecomunicazione sfruttano le cosiddette non linearità del secondo ordine, che rendono l'elaborazione del segnale ottico più efficiente e affidabile.

Nell'ultimo numero di Fotonica della natura , I ricercatori del MIT presentano un modo pratico per introdurre non linearità di secondo ordine nella fotonica del silicio. Riportano anche prototipi di due diversi dispositivi al silicio che sfruttano tali non linearità:un modulatore, che codifica i dati su un raggio ottico, e un duplicatore di frequenza, un componente vitale per lo sviluppo di laser che possono essere sintonizzati con precisione su una gamma di frequenze diverse.

In ottica, un sistema lineare è quello le cui uscite sono sempre alle stesse frequenze dei suoi ingressi. Quindi un duplicatore di frequenza, ad esempio, è un dispositivo intrinsecamente non lineare.

"Ora abbiamo la possibilità di avere una non linearità di secondo ordine nel silicio, e questa è la prima vera dimostrazione di ciò, "dice Michael Watts, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT e autore senior del nuovo documento.

"Ora puoi costruire un modulatore di fase che non dipenda dall'effetto portante libera nel silicio. Il vantaggio è che l'effetto portante libera nel silicio ha sempre un accoppiamento di fase e ampiezza. Quindi, ogni volta che cambi la concentrazione di portante, stai cambiando sia la fase che l'ampiezza dell'onda che la attraversa. Con non linearità del secondo ordine, rompi quell'accoppiamento, quindi puoi avere un modulatore di fase puro. Questo è importante per molte applicazioni. Certamente nel campo della comunicazione questo è importante".

Il primo autore del nuovo articolo è Erman Timurdogan, che ha completato il suo dottorato di ricerca al MIT l'anno scorso ed è ora presso l'azienda di fotonica al silicio Analog Photonics. Lui e Watts sono raggiunti da Matthew Byrd, uno studente laureato del MIT in ingegneria elettrica e informatica, e Christopher Poulton, che ha fatto il suo master nel gruppo di Watts e ora è anche ad Analog Photonics.

Soluzioni stupide

Se un'onda elettromagnetica può essere pensata come un modello di scarabocchi regolari su e giù, un modulatore digitale perturba quel modello in modi fissi per rappresentare stringhe di zero e uno. In un modulatore al silicio, il percorso che l'onda luminosa prende è definito da una guida d'onda, che è piuttosto come un binario che corre lungo la parte superiore del modulatore.

I modulatori al silicio esistenti sono drogati, il che significa che sono state aggiunte impurità attraverso un processo standard utilizzato nella produzione di transistor. Alcuni materiali droganti producono silicio di tipo p, dove la "p" sta per "positivo, " e alcuni producono silicio di tipo n, dove la "n" sta per "negativo". In presenza di un campo elettrico, i portatori liberi, gli elettroni che non sono associati a particolari atomi di silicio, tendono a concentrarsi nel silicio di tipo n ea dissiparsi nel silicio di tipo p.

Un modulatore di silicio convenzionale è per metà di tipo p e per metà di tipo n; anche la guida d'onda è divisa a metà. Su entrambi i lati della guida d'onda ci sono elettrodi, e cambiando la tensione attraverso il modulatore si concentra alternativamente e dissipa i portatori liberi nella guida d'onda, per modulare un segnale ottico che lo attraversa.

Il dispositivo dei ricercatori del MIT è simile, tranne per il fatto che il centro del modulatore, inclusa la guida d'onda che corre lungo la sua parte superiore, non è drogato. Quando viene applicata una tensione, i corrieri gratuiti non raccolgono al centro del dispositivo; Invece, si accumulano al confine tra il silicio di tipo n e il silicio non drogato. Una corrispondente carica positiva si accumula al confine con il silicio di tipo p, producendo un campo elettrico, che è ciò che modula il segnale ottico.

Poiché i vettori liberi al centro di un modulatore di silicio convenzionale possono assorbire particelle di luce, o fotoni, che viaggiano attraverso la guida d'onda, diminuiscono l'intensità del segnale ottico; i modulatori che sfruttano le non linearità del secondo ordine non affrontano questo problema.

Prendendo velocità

In linea di principio, possono anche modulare un segnale più rapidamente di quanto facciano i modulatori al silicio esistenti. Questo perché ci vuole più tempo per spostare i portatori liberi dentro e fuori la guida d'onda che per concentrarli e rilasciarli ai confini con il silicio non drogato. Il presente lavoro riporta semplicemente il fenomeno della modulazione non lineare, ma Timurdogan dice che da allora il team ha testato
prototipi di un modulatore le cui velocità sono competitive con quelle dei modulatori non lineari presenti nelle reti di telecomunicazioni.

Il duplicatore di frequenza che i ricercatori hanno dimostrato ha un design simile, tranne che le regioni di silicio drogato p e n che fiancheggiano la regione centrale di silicio non drogato sono disposte in bande regolarmente spaziate, perpendicolare alla guida d'onda. Le distanze tra le bande sono calibrate su una specifica lunghezza d'onda della luce, e quando viene applicata una tensione attraverso di loro, raddoppiano la frequenza del segnale ottico che passa attraverso la guida d'onda, combinando coppie di fotoni in singoli fotoni con il doppio dell'energia.

I duplicatori di frequenza possono essere utilizzati per costruire orologi ottici su chip straordinariamente precisi, amplificatori ottici, e sorgenti di radiazioni terahertz, che ha promettenti applicazioni di sicurezza.

"Il silicio ha avuto un enorme rinascimento nello spazio della comunicazione ottica per una varietà di applicazioni, "dice Jason Orcutt, un ricercatore nel dipartimento di scienze fisiche presso il Thomas J. Watson Research Center di IBM. "Però, ci sono ancora spazi applicativi rimanenti, dalla fotonica a microonde all'ottica quantistica, in cui la mancanza di effetti non lineari di secondo ordine nel silicio ha impedito il progresso. Questo è un passo importante per affrontare una gamma più ampia di applicazioni all'interno delle piattaforme fotoniche al silicio mature in tutto il mondo".

"Ad oggi, gli sforzi per ottenere effetti non lineari di secondo ordine nel silicio si sono concentrati su problemi di scienza dei materiali duri, " Aggiunge Orcutt. "Il team [del MIT] è stato estremamente intelligente nel ricordare alla comunità dei fisici ciò che non avremmo dovuto dimenticare. L'applicazione di un semplice campo elettrico crea lo stesso vettore di polarizzazione del cristallo di base che altri ricercatori hanno lavorato duramente per creare con mezzi molto più complicati".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.