Láseres de silicio

Los microchips de silicio, los microprocesadores del tamaño de una miniatura que constituyen el cerebro de una PC, se encaminan hacia un desastre creado por su propio éxito notable. A medida que los chips se vuelven más rápidos, los electrones que transportan mensajes a través de los diminutos cables metálicos dentro del circuito integrado tienen dificultades para mantenerse al día.



Un lugar donde este problema inminente es particularmente agudo es en los relojes ultrarrápidos que se utilizan para controlar el ritmo de la computación. En términos generales, los relojes más rápidos significan una informática más rápida; Los microprocesadores ahora funcionan a velocidades de reloj superiores a un gigahercio (mil millones de pulsos por segundo) y son cada vez más rápidos. Pronto, dice Lionel Kimerling, director del Centro de Microfotónica del MIT, los electrones que se mueven a través de los cables de metal simplemente serán demasiado lentos para seguir el ritmo. Suponga que en algún lugar del futuro hay un reloj de 10 gigahercios. Es imposible distribuir ese tipo de señal eléctricamente, explica. La solución, dice Kimerling, son pequeños láseres pulsados ​​que pueden distribuir las señales de reloj a través del chip del procesador. Intel cree que tres gigahercios es un gran problema, dice Kimerling, y eso está a unos dos años de distancia.

Construyendo una mejor columna vertebral

Esta historia fue parte de nuestro número de junio de 2001





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Más de una docena de grupos de investigación están compitiendo para desarrollar dispositivos ópticos en miniatura capaces de integrarse directamente en el chip de silicio. Sería una especie de red óptica para transportar datos alrededor del microprocesador, aumentando sus capacidades de la misma manera que la fibra óptica ha transformado las telecomunicaciones. Pero hay un problema: el silicio es un pésimo emisor de luz.

La maldición del silicio es que es, en la jerga de los físicos, un material de banda prohibida indirecta. Otros materiales semiconductores son buenos emisores de luz porque cuando sus electrones son impulsados ​​a una energía más alta por una corriente, los electrones pueden descender nuevamente y disparar un fotón en el proceso. Bombea una gran cantidad de electrones rápidamente a un estado de mayor energía y puedes hacer un láser. Así es como funciona, por ejemplo, el láser semiconductor utilizado en un reproductor de DVD. Pero las leyes de la física dicen que los electrones del silicio no pueden viajar directamente de regreso a un estado inferior. Como resultado, el electrón normalmente cede su energía en forma de calor en lugar de luz.

Hay dos estrategias para superar el problema de la luz del silicio. Algunos investigadores, incluidos colegas de Kimerling en el Centro de Microfotónica del MIT, están desarrollando emisores de luz y detectores hechos de los hermanos del silicio, semiconductores como el arseniuro de galio, que pueden injertarse directamente en chips de silicio. Otros grupos han encontrado formas de conseguir que el propio silicio emita la luz deseada.



En 1996, Philippe Fauchet y sus colegas de la Universidad de Rochester informaron sobre un diodo emisor de luz hecho de silicio. El dispositivo tenía una característica importante: se podía utilizar una corriente eléctrica en lugar de otro láser o fuente de luz para activar la emisión de luz. Pero, dice Fauchet, la eficiencia del dispositivo para emitir luz es demasiado baja para interesar a los fabricantes de chips. En estos dispositivos emisores de luz, la eficiencia energética es de alrededor del 0,1 por ciento, explica. Pero el estándar mínimo aceptable en la industria es el uno por ciento antes de que hablen con usted.

Los poderes de emisión de luz del silicio recibieron un impulso en noviembre pasado cuando Lorenzo Pavesi de la Universidad de Trento en Italia descubrió que las nanopartículas de silicio podían amplificar la luz. Lo que hizo que esto fuera emocionante es que la amplificación es el primer paso hacia la fabricación de un láser de silicio. Con un láser, es un juego de pelota completamente nuevo, dice Fauchet. Algunos de los problemas de eficiencia desaparecen. Sin embargo, los nanocristales deben ser estimulados por un láser en lugar de una corriente eléctrica.

Luego, en marzo, un grupo dirigido por Kevin Homewood en la Universidad de Surrey de Inglaterra descubrió otra forma de hacer que el silicio brille por sí solo. Nuestro enfoque utiliza tecnología de silicio absolutamente estándar, dice Homewood. Estos diodos emisores de luz basados ​​en silicio no están optimizados para la eficiencia, reconoce Homewood, pero dice que están a solo un factor de tres de los diodos emisores de luz convencionales. El siguiente paso de Homewood es intentar conseguir la acción del láser. Ciertamente no creo que la física esté en contra nuestra, dice.

A pesar de estos tentadores indicios de éxito, Fauchet dice que la investigación en silicio emisor de luz enfrenta algunos desafíos difíciles. El problema con todos estos dispositivos, incluido el nuestro, es la baja eficiencia, dice. Como investigación, es muy interesante, pero Intel aún no está saltando.



Aún así, el futuro de la microfotónica de silicio es brillante. Ya sean láseres de silicio o emisores de luz hechos de algún otro semiconductor, Kimerling dice que la integración de dispositivos ópticos en chips de silicio es el próximo gran paso en fotónica. Para una industria de chips multimillonaria construida alrededor del silicio, el reloj avanza rápidamente hacia una forma de dar ese paso.

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