I ricercatori di Intel e della University of California di Santa Barbara (UCSB) hanno sviluppato il primo laser ibrido al silicio alimentato a elettricità nel mondo, utilizzando i processi di produzione standard del silicio. Con questa innovazione viene rimossa una delle ultime barriere significative alla produzione di dispositivi fotonici in silicio a basso costo e ad ampia larghezza di banda, da utilizzare nei futuri computer e data center.
I ricercatori sono stati in grado di combinare, in un singolo chip ibrido, le proprietà di emissione della luce del fosfuro di indio con le capacità di indirizzamento della luce del silicio. Quando viene applicata la tensione, la luce generata nel fosfuro di indio entra nella guida d’onda del silicio creando un fascio laser continuo che può essere utilizzato per attivare altri dispositivi fotonici in silicio. Un laser basato sul silicio potrebbe portare a una maggiore diffusione della fotonica nei computer, in quanto i costi risulterebbero notevolmente inferiori tramite l’impiego di tecniche di produzione del silicio in grandi quantità.
“In questo modo – ha commentato Mario Paniccia, director del Photonics Technology Lab di Intel – è possibile introdurre canali ottici di trasferimento dati dell’ordine dei terabit a basso costo nei futuri computer e aprire le porte a una nuova era di applicazioni del computing a elevate prestazioni. Anche se siamo ancora lontani dalla trasformazione in un prodotto commerciale, riteniamo che decine, forse anche centinaia di laser ibridi al silicio potrebbero essere integrati con altri componenti fotonici di silicio in un unico chip di silicio”.
“Il nostro programma di ricerca con Intel – ha commentato il professor John Bowers della UCSB – evidenzia che la collaborazione tra industria e mondo accademico può portare a progressi significativi nel campo della scienza e della tecnologia. Coniugando l’esperienza della UCSB con le competenze di Intel nella fotonica in silicio e con il fosfuro di indio, abbiamo dimostrato una nuova struttura laser basata su un metodo di collegamento elettrico che può essere utilizzata a livello di wafer, di wafer parziale o di die e che potrebbe rappresentare una soluzione per l’integrazione di componenti ottici su vasta scala in una piattaforma di silicio. Tutto questo segna l’inizio di chip basati su fotonica in silicio ampiamente integrati per la produzione di massa a basso costo”.
Anche se ampiamente impiegato per la produzione di massa di dispositivi elettronici digitali a basso costo, il silicio può essere utilizzato anche per indirizzare, rilevare, modulare e persino amplificare la luce, ma non per generarla. Viceversa, i laser basati su fosfuro di indio vengono comunemente impiegati nelle apparecchiature per le telecomunicazioni. Ma a causa dell’esigenza di assemblarli e allinearli singolarmente, sono troppo costosi da realizzare nelle grandi quantità e ai costi contenuti richiesti nel settore dei pc.
Il laser ibrido al silicio implica l’uso di materiale in fosfuro di indio per la generazione e l’amplificazione della luce e della guida d’onda del silicio per contenere e controllare il laser. L’aspetto chiave per la produzione del dispositivo è l’impiego di plasma di ossigeno (un gas di ossigeno sottoposto a scarica elettrica) a bassa temperatura per creare un sottile strato di ossido (dello spessore di circa 25 atomi) sulle superfici di entrambi i materiali.
Sottoposto a temperatura elevata e a pressione, lo strato di ossido agisce da collante fondendo i due materiali in un singolo chip. Quando viene applicata la tensione, la luce generata nel materiale in fosfuro di indio attraversa lo strato di ossido collante ed entra nella guida d’onda del chip di silicio, dove viene contenuta e controllata, creando un laser ibrido al silicio. La progettazione della guida d’onda è fondamentale per determinare le prestazioni e la lunghezza d’onda specifica del laser ibrido al silicio.
Questo annuncio segue altri risultati importanti ottenuti da Intel nel programma di ricerca a lungo termine teso a “silicizzare” la fotonica utilizzando processi di produzione standard del silicio. Nel 2004 i ricercatori Intel sono stati i primi a presentare un modulatore ottico basato su silicio con una larghezza di banda superiore a 1 GHz, una velocità circa 50 volte più elevata rispetto alle soluzioni analoghe presentate in precedenza. Nel 2005 i ricercatori Intel sono stati di nuovo i primi a dimostrare che il silicio può essere utilizzato per amplificare la luce, e hanno utilizzato una fonte luminosa esterna per produrre un laser su chip a onda continua basato sull'”effetto Raman”.
Il professor John Bowers insegna Electrical and Computer Engineering alla UCSB. Si occupa da oltre 25 anni di materiali in fosfuro di indio e laser. Attualmente la sue ricerche sono focalizzate sullo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici con velocità di trasferimenti dati fino a 160 Gb/s, e di tecniche per collegare materiali dissimili tra loro in modo da sviluppare nuovi dispositivi dalle prestazioni più elevate.