Pesquisadores da Caltech descobriram uma maneira de mover a luz através de pastilhas de silício com muito pouca perda de sinal, atingindo níveis em comprimentos de onda visíveis que se aproximam dos da fibra óptica. Este avanço poderia apoiar uma nova geração de circuitos integrados fotônicos (PICs) altamente integrados e eficientes, com aplicações potenciais de relógios ópticos e giroscópios a comunicações de centros de dados de inteligência artificial e computação quântica.
A fibra óptica constitui agora grande parte da infra-estrutura oculta por trás das comunicações modernas. Ele permite que a informação viaje longas distâncias em alta velocidade porque o vidro dentro da fibra é muito puro e sua superfície foi projetada para ser incrivelmente lisa. Como resultado, a maior parte da luz que entra por uma extremidade pode atingir a outra extremidade sem ser absorvida, espalhada ou perdida. Os pesquisadores referem-se a isso como desempenho com perdas muito baixas.
“Durante anos, temos trabalhado para traduzir a fabricação de fibra óptica baseada em carretel em wafers de silício, enquanto tentamos manter a característica característica da fibra de perda ultrabaixa”, diz Kerry Wahala (BS 80, PhD 85), professor Ted e Ginger Jenkins de Ciência e Tecnologia da Informação e Física Aplicada na Caltech. “Desenvolvemos um método para imprimir circuitos ópticos, feitos de materiais semelhantes a fibras, diretamente nos mesmos wafers de 8 e 12 polegadas usados em chips de computador. Essa mudança em direção ao desempenho semelhante a fibra, especialmente nas bandas visíveis, permite novas tecnologias que se beneficiam da dissipação de energia do circuito insignificante.”
A equipe relata a técnica em um artigo publicado recentemente natureza. Os principais autores do estudo são o pesquisador de pós-doutorado da Caltech Hao Jingchen e o estudante de pós-graduação Kelan Colburn (MS ’25), que realizaram o trabalho no laboratório Wahala.
Trazendo fibra de vidro para os chips
Usando germanosilicato, o mesmo tipo de vidro usado em fibras ópticas, os pesquisadores criaram guias de ondas (caminhos no chip em nanoescala que guiam a luz). Eles adaptam este material a um método de fabricação baseado em litografia adequado para fabricar dispositivos em um wafer.
Em vez de se moverem em linha reta, os guias de onda são dispostos em espiral. Isso permite que a luz percorra um caminho óptico muito mais longo, permanecendo em uma área muito pequena. A ideia é semelhante à fibra óptica enrolada em torno de um carretel, mas a nanofabricação torna possível ajustar o caminho em um espaço muito menor.
Os guias de ondas de silicato alemães exibem perdas muito baixas e também são facilmente adaptados para transmitir luz com eficiência entre fibras ópticas e lasers semicondutores, o que é importante para reduzir o custo geral de energia da infraestrutura de servidores, diz Henry Blauvelt (PhD ’83), professor associado visitante de ciência de materiais aplicados na Caltech Physics and Technology. Diretor de Tecnologia da Emcore, empresa especializada em circuitos fotônicos; e o autor do artigo recente.
Uma vantagem 20 vezes maior em comprimentos de onda visíveis
Nos comprimentos de onda do infravermelho próximo, os dispositivos construídos com a nova plataforma da Caltech já alcançaram o desempenho de alguns dos melhores dispositivos anteriores feitos de nitreto de silício. O nitreto de silício é amplamente utilizado em tecnologia óptica porque pode transmitir dados com relativamente pouca perda de sinal.
A vantagem torna-se muito maior em comprimentos de onda visíveis. A nova plataforma de germanosilicato supera significativamente o nitreto de silício nesta parte do espectro.
“Por causa da temperatura de fusão relativamente baixa do material, podemos colocar nossos dispositivos em um forno para recolocar nossos guias de ondas no nível de átomos únicos, o que suprime bastante a severa redução de espalhamento que limitou os PICs visíveis convencionais”, diz Chen. Em comprimentos de onda visíveis, nossa plataforma mais recente excede o recorde de nitreto de silício por um fator de 20 e temos mais espaço para melhorias.
A redução de perdas pode ter um impacto significativo no desempenho dos dispositivos ópticos. Por exemplo, os lasers produzidos com a nova plataforma são mais de 100 vezes melhores que os designs anteriores em termos de quanto tempo a sua luz permanece coerente.
“A ampla cobertura de comprimento de onda fornecida pelo nosso método suporta muitas operações atômicas importantes, permitindo sensores atômicos em escala de chip, relógios ópticos e sistemas de captura de íons”, diz Chen.
Por que chips minúsculos precisam de desempenho em escala de quilômetros?
A princípio, tentar medir perdas em distâncias de metros ou até quilômetros pode parecer excessivo para dispositivos que cabem em um chip pequeno.
Colburn reconhece que pode parecer “um pouco ridículo” à primeira vista que os investigadores estejam a analisar perdas que podem ser descritas como percentagens por quilómetro. “Afinal, nossos chips têm apenas 2 centímetros de diâmetro”, diz ele. Mas, na realidade, existem muitas aplicações onde ele é muito poderoso.”
Um exemplo é o ressonador de anel, um dispositivo óptico básico usado tanto em pesquisas científicas quanto em transmissão de dados. A luz entra no aparelho e é direcionada para um circuito, onde pode continuar circulando por muito tempo. Esta circulação repetida amplifica a luz em certas frequências.
Embora o loop físico possa medir apenas alguns milímetros, a distância efetiva total percorrida pela luz depende de quanta energia é perdida cada vez que ela dá uma volta.
“É aí que a perda em metros, ou eventualmente em quilômetros, realmente importa”, diz Colburn. “Quanto mais tempo a luz puder circular, maior será o desempenho dos dispositivos resultantes.”
Para lasers que dependem desses ressonadores para aumentar a coerência, a vantagem aumenta rapidamente. Cada fator de redução de 10 na perda produz um fator de melhoria de 100 na coerência.
Dos relógios ópticos à tecnologia quântica
A capacidade de criar guias de ondas de perdas muito baixas em comprimentos de onda visíveis pode ser útil para muitas tecnologias diferentes.
“Uma das razões pelas quais isso é tão atraente é que ele tem a qualidade de um canivete suíço – pode ser aplicado a uma ampla variedade de ambientes”, diz Wahala.
Para demonstrar essa versatilidade, os pesquisadores descrevem em seu artigo diversos dispositivos feitos com o novo material. Isso inclui ressonadores de anel, vários tipos de laser e ressonadores não lineares capazes de produzir uma ampla gama de frequências.
Os pesquisadores também veem os resultados atuais como uma etapa preliminar e não como um ponto final.
“Não fomos tão longe quanto gostaríamos, mas fizemos progressos significativos nos últimos cinco anos e é isso que relatamos aqui”, diz Vehala.
O artigo é intitulado “Rumo à perda semelhante a fibra para integração fotônica do violeta ao infravermelho próximo.” Outros autores são os estudantes de pós-graduação da Caltech Peng Liu (MS ’24), Hongrui Yan, Jinhao Ge (MS ’24), Jin-Yu Liu (MS ’24) e Phineas Lehan. ex-aluno de pós-graduação Qing-Xin Ji (PhD ’25); ex-pesquisador de pós-doutorado Zhiquan Yuan (PhD ’24); e Hanfei Hu, que participou desta pesquisa como parte de um programa de bolsas de graduação em pesquisa de verão. Dirk Baumeister, da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e Leiden, na Holanda, e Christopher Holmes e James Gates, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, também são autores deste livro. Este trabalho foi apoiado por doações da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, do Conselho de Pesquisa em Ciências Físicas e Engenharia e do Instituto de Nanociência Kavli da Caltech.
