Lasca

Os circuitos integrados baseados em silício seguiram a lei de Moore e foram impulsionados por muitos avanços tecnológicos em tecnologias de semicondutores. Agora, os pesquisadores vão além das arquiteturas de circuitos convencionais com o surgimento dos CIs fotônicos. No entanto, a falta de uma fonte de laser confiável em chips de silício tem sido um grande obstáculo que limita o potencial dos CIs fotônicos de silício.

Neste artigo, examinamos novas pesquisas da Universidade de Stanford que abordam essas questões.

Os lasers são componentes-chave em sistemas ópticos no chip, mas um desafio técnico associado aos isoladores torna difícil sua manutenção nos chips. A luz do laser pode refletir sobre si mesma e desestabilizá-lo ou desativá-lo. Portanto, as fibras ópticas tradicionais e os sistemas ópticos volumosos utilizam isoladores ópticos que aproveitam o efeito Faraday. Embora esta abordagem seja replicável em chips, a escalabilidade continua a ser um problema, pois não é compatível com a sua tecnologia CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar).

Também houve avanços na fabricação de isoladores sem ímã ou isoladores que não dependiam do efeito Faraday. No entanto, eles levam a sistemas complexos e que consomem muita energia.

Pesquisadores da Universidade de Stanford sugerem, em seu artigo publicado na Nature Photonics, que um isolador ideal seria completamente passivo e livre de ímã para ser escalável e compatível com a tecnologia CMOS. Eles criaram um isolador passivo eficaz em escala de chip a partir de materiais semicondutores bem conhecidos.

Um isolador óptico permite a transmissão da luz em apenas uma direção, cancelando efetivamente as ondas refletidas. Os isoladores que dependem do efeito Faraday utilizam rotadores Faraday, principal componente dos isoladores que causa rotação na polarização da luz quando um campo magnético é aplicado.

Os isoladores dependentes de polarização usam um polarizador de entrada, um rotador Faraday e um polarizador de saída. Para a luz viajando na direção reversa, o polarizador de entrada polariza a luz em 45 graus. O rotador Faraday girará novamente 45 graus. Como o polarizador de saída está alinhado verticalmente, a luz refletida polarizada horizontalmente será cancelada.

Por outro lado, os isoladores independentes de polarização primeiro dividem os componentes ortogonais do feixe de entrada com um polarizador. Eles então os enviam através de um rotador Faraday e os combinam no polarizador de entrada. A luz refletida aparecerá com um deslocamento e não poderá passar.

Tais sistemas são muito difíceis de implementar em chips, pois não seriam compatíveis com a tecnologia CMOS.

Os isoladores integrados de ondas contínuas que os pesquisadores de Stanford demonstraram funcionam com o efeito Kerr. É feito de nitreto de silício (SiN), que é um dos materiais semicondutores comuns e é fácil de produzir em massa.

O efeito Kerr sugere que uma substância isotrópica se torna birrefringente sob um campo elétrico e que um campo elétrico devido à luz provoca uma variação no índice de refração do material, que seria proporcional à irradiância luminosa.

O último efeito torna-se muito mais significativo com feixes intensos, como os lasers. O efeito Kerr no anel SiN quebra a degeneração entre os modos horário e anti-horário do anel e permite a transmissão de ondas de forma não simétrica.

O feixe de laser primário passa através do anel SiN, fazendo com que os fótons girem em torno do anel no sentido horário. Simultaneamente, o feixe refletido faz os fótons girarem no sentido anti-horário.

A circulação dentro do anel leva ao acúmulo de energia. O aumento da potência afeta o feixe mais fraco (feixe refletido neste caso), enquanto o feixe mais forte permanece inalterado.

Jelena Vučković, professora de engenharia elétrica em Stanford e autora sênior do estudo, e sua equipe construíram um protótipo como prova de conceito e demonstraram o acoplamento de dois isoladores de anel em cascata para obter desempenho superior. Eles também relatam que, ao variar o acoplamento dos ressonadores em anel, eles podem compensar o isolamento e as perdas relacionadas ao acoplamento.