I ricercatori IBM sono riusciti a guidare la luce visibile attraverso un filo di silicio in modo efficiente, un'importante pietra miliare nell'esplorazione verso una nuova generazione di velocità, circuiti logici più efficienti.

Per decenni, la velocità dei nostri computer è cresciuta a un ritmo costante. Il processore del primo PC IBM uscito 40 anni fa, operato a una velocità di circa 5 milioni di cicli di clock al secondo (4,77 MHz). Oggi, i processori dei nostri personal computer sono circa 1000 volte più veloci.

Però, con la tecnologia attuale, non è probabile che diventino più veloci di così.

Negli ultimi 15 anni, la frequenza di clock dei singoli core del processore si è bloccata a pochi Gigahertz. E il vecchio e collaudato approccio di stipare sempre più transistor su un chip non aiuterà più a spingere quel confine. Almeno non senza spendere una fortuna in termini di consumo energetico.

Una via d'uscita dalla stagnazione potrebbe presentarsi sotto forma di circuiti ottici in cui l'informazione è codificata nella luce anziché nell'elettronica. Nel 2019, un team di ricerca IBM insieme a partner del mondo accademico ha costruito il primo transistor completamente ottico ultraveloce al mondo in grado di funzionare a temperatura ambiente. La squadra ora segue con un altro pezzo del puzzle, una guida d'onda al silicio che collega tali transistor, portando la luce tra di loro con perdite minime.

Cablare i transistor di un circuito ottico con guide d'onda in silicio è un requisito importante per rendere compatti, chip altamente integrati. Questo perché è più facile posizionare altri componenti necessari come gli elettrodi nelle sue immediate vicinanze se la guida d'onda è fatta di silicio. Le tecniche utilizzate a tale scopo sono state perfezionate per decenni nell'industria dei semiconduttori.

Però, il silicio, essendo notoriamente un forte assorbitore di luce visibile, lo rende ottimo per catturare la luce solare in un pannello fotovoltaico, ma una scelta sbagliata per una guida d'onda in cui l'assorbimento della luce significa perdita di segnale.

Fare una recinzione per confinare la luce

Così, i ricercatori IBM hanno pensato a modi per utilizzare la tecnologia del silicio matura eludendo il problema dell'assorbimento. La loro soluzione coinvolge nanostrutture chiamate reticoli ad alto contrasto con un comportamento sorprendente che alcuni membri del team avevano già scoperto oltre 10 anni fa, anche se per un'altra applicazione.

Un reticolo ad alto contrasto è costituito da "pali" di dimensioni nanometriche allineati a formare una sorta di recinzione che impedisce alla luce di fuoriuscire. I pali hanno un diametro di 150 nanometri e sono distanziati in modo tale che la luce che passa attraverso i pali interferisca in modo distruttivo con la luce che passa tra i pali. L'interferenza distruttiva è un fenomeno ben noto per cui le onde oscillanti fuori sincrono si annullano a vicenda in un punto dello spazio. Influenza la luce, che è un'onda elettromagnetica, proprio come fa il suono e altri tipi di onde. In questo caso, l'interferenza distruttiva fa in modo che nessuna luce possa "infiltrarsi" attraverso la grata. Anziché, la maggior parte della luce viene riflessa all'interno della guida d'onda. I ricercatori IBM hanno anche dimostrato che l'assorbimento della luce all'interno dei pali stessi è minimo. Tutto questo insieme si traduce in perdite di solo il 13% lungo un percorso di viaggio leggero di 1 millimetro all'interno della guida d'onda. Per confronto:lungo già solo un centesimo di quella distanza (10 micrometri) in una guida d'onda in puro silicio senza i reticoli, le perdite ammonterebbero al 99,7 per cento.

Simulazioni per la progettazione precisa del reticolo

Sulla sua faccia, l'idea di base dietro le griglie ad alto contrasto sembra semplice. Però, è stato davvero sorprendente quando i ricercatori hanno scoperto per la prima volta che potevano impedire alla luce di essere assorbita da un materiale "oscuro" come il silicio.

Già nel 2010, quando hanno osservato per la prima volta l'effetto reticolo, si è verificato in una microcavità laser che ha aiutato perché l'amplificazione della luce da parte del laser avrebbe compensato le perdite. Anche, avevano la luce che colpiva i reticoli a quasi 90 gradi, il che è un punto debole per l'effetto reticolo. Ma mantenere basse le perdite in una guida d'onda senza il beneficio del guadagno del laser e con un'incidenza della luce quasi radente era molto più impegnativo.

Per assicurarsi che il loro design della griglia fosse all'altezza del compito, il team ha eseguito simulazioni che mostrano come la propagazione della luce all'interno della guida d'onda cambierebbe al variare delle dimensioni del reticolo. Hanno scoperto che il reticolo avrebbe fornito una guida efficiente della luce su un'ampia banda di lunghezze d'onda. Tutto quello che dovevano fare era scegliere la giusta distanza tra i pali della grata e realizzare i pali stessi dello spessore giusto con un margine di precisione di 15 nanometri. Utilizzando un processo di fabbricazione di fotonica di silicio standard, tali requisiti si sono rivelati gestibili. Infatti, gli esperimenti hanno confermato quanto previsto dalle simulazioni in termini di bassa perdita per la luce visibile nell'intervallo tra 550 e 650 nanometri.

Potenziali vantaggi per i circuiti ottici e non solo

Il team ha trovato alcune prove attraverso simulazioni che questo design può essere utilizzato non solo per creare guide d'onda diritte, ma anche per guidare la luce intorno agli angoli. Ma non hanno ancora eseguito gli esperimenti per confermare questa idea. Anche se si rivela fattibile, sarà necessaria qualche ulteriore ottimizzazione per mantenere basse le perdite aggiuntive in quel caso. Guardando avanti, un passo successivo sarà progettare l'accoppiamento efficiente della luce dalle guide d'onda in altri componenti. Questo sarà un passo cruciale nel progetto di ricerca esplorativa pluriennale del team con l'obiettivo di integrare i transistor completamente ottici che hanno dimostrato nel 2019 in circuiti integrati in grado di eseguire semplici operazioni logiche.

Il team ritiene che la loro guida d'onda in silicio a bassa perdita potrebbe consentire nuovi progetti di chip fotonici da utilizzare nel biorilevamento e in altre applicazioni che si basano sulla luce visibile. Potrebbe anche avvantaggiare l'ingegneria di componenti ottici più efficienti come laser e modulatori ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni.