Chip

Los circuitos integrados basados ​​en silicio han seguido la ley de Moore y han sido impulsados ​​por muchos avances tecnológicos en las tecnologías de semiconductores. Ahora, los investigadores miran más allá de las arquitecturas de circuitos convencionales con la aparición de los circuitos integrados fotónicos. Sin embargo, la falta de una fuente láser confiable en chips de silicio ha sido un obstáculo importante que limita el potencial de los circuitos integrados fotónicos de silicio.

En este artículo, examinamos nuevas investigaciones de la Universidad de Stanford que abordan estos temas.

Los láseres son componentes clave en los sistemas ópticos en chips, pero un desafío técnico asociado con los aisladores dificulta su mantenimiento en los chips. La luz del láser puede reflejarse sobre sí misma y desestabilizarlo o inutilizarlo. Por lo tanto, las fibras ópticas tradicionales y los sistemas ópticos voluminosos utilizan aisladores ópticos que aprovechan el efecto Faraday. Aunque este enfoque se puede replicar en chips, la escalabilidad sigue siendo un problema ya que no es compatible con su tecnología CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario).

También ha habido avances en la fabricación de aisladores sin imanes o aisladores que no dependían del efecto Faraday. Sin embargo, conducen a sistemas complejos y que consumen mucha energía.

Investigadores de la Universidad de Stanford sugieren, en su artículo publicado en Nature Photonics, que un aislador ideal sería completamente pasivo y libre de imanes para ser escalable y compatible con la tecnología CMOS. Crearon un aislador pasivo eficaz a escala de chip a partir de materiales semiconductores conocidos.

Un aislador óptico permite la transmisión de luz en una sola dirección, cancelando efectivamente las ondas reflejadas. Los aisladores que se basan en el efecto Faraday utilizan rotadores de Faraday, el componente principal de los aisladores que provoca la rotación en la polarización de la luz cuando se aplica un campo magnético.

Los aisladores dependientes de la polarización utilizan un polarizador de entrada, un rotador de Faraday y un polarizador de salida. Para la luz que viaja hacia atrás, el polarizador de entrada polariza la luz 45 grados. El rotador de Faraday volverá a girar 45 grados. Dado que el polarizador de salida está alineado verticalmente, la luz reflejada polarizada horizontalmente se cancelará.

Por otro lado, los aisladores independientes de la polarización primero dividen los componentes ortogonales del haz de entrada con un polarizador. Luego los envían a través de un rotador de Faraday y los combinan en el polarizador de entrada. La luz reflejada aparecerá con un desplazamiento y no se le permitirá pasar.

Estos sistemas son muy difíciles de implementar en chips, ya que no serían compatibles con la tecnología CMOS.

Los aisladores integrados de onda continua que los investigadores de Stanford demostraron funcionan con el efecto Kerr. Está hecho de nitruro de silicio (SiN), que es uno de los materiales semiconductores comunes y es fácil de producir en masa.

El efecto Kerr sugiere que una sustancia isotrópica se vuelve birrefringente bajo un campo eléctrico y que un campo eléctrico debido a la luz provoca una variación en el índice de refracción del material, que sería proporcional a la irradiancia de la luz.

Este último efecto se vuelve mucho más significativo con rayos intensos como los láseres. El efecto Kerr en el anillo SiN rompe la degeneración entre los modos horario y antihorario del anillo y permite la transmisión de ondas de forma no simétrica.

El rayo láser primario pasa a través del anillo de SiN, haciendo que los fotones giren alrededor del anillo en el sentido de las agujas del reloj. Al mismo tiempo, el haz reflejado hace que los fotones giren en sentido contrario a las agujas del reloj.

La circulación dentro del anillo conduce a la acumulación de energía. El aumento de potencia afecta al haz más débil (haz reflejado en este caso), mientras que el haz más fuerte no se ve afectado.

Jelena Vučković, profesora de ingeniería eléctrica en Stanford y autora principal del estudio, y su equipo construyeron un prototipo como prueba de concepto y demostraron el acoplamiento de dos aisladores de anillo en cascada para lograr un rendimiento superior. También informan que al variar el acoplamiento de los resonadores de anillo, pueden compensar el aislamiento y las pérdidas relacionadas con el acoplamiento.

Además, los investigadores planean trabajar en aisladores para diferentes frecuencias de luz y trabajarán para reducir estos componentes para explorar otras aplicaciones de los aisladores a escala de chip.