Miles de millas de cables de fibra óptica atraviesan el mundo y empaquetan todo, desde datos financieros hasta videos de gatos en luz. Pero cuando la señal llega a su centro de datos local, se encuentra con un cuello de botella de silicio. En lugar de luz, las computadoras funcionan conelectrones que se mueven a través de chips basados en silicio, que, a pesar de los grandes avances, siguen siendo menos eficientes que la fotónica.
Para romper este cuello de botella, los investigadores están tratando de integrar la fotónica en los dispositivos de silicio. Han estado desarrollando láseres, un componente crucial de los circuitos fotónicos, que funcionan a la perfección en el silicio. En un artículo que apareció esta semana APL Photonics , de AIP Publishing, investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara escriben que el futuro de los láseres a base de silicio puede estar en pequeñas estructuras atómicas llamadas puntos cuánticos.
Tales láseres podrían ahorrar mucha energía. Reemplazar los componentes electrónicos que conectan los dispositivos con componentes fotónicos podría reducir el uso de energía en un 20 a 75 por ciento, dijo Justin Norman, un estudiante graduado en la Universidad de California en Santa Bárbara. "Es un corte sustancial paraconsumo de energía global simplemente al tener una forma de integrar láseres y circuitos fotónicos con silicio ".
Sin embargo, el silicio no tiene las propiedades correctas para los láseres. En cambio, los investigadores recurrieron a una clase de materiales de los Grupos III y V de la tabla periódica porque estos materiales pueden integrarse con el silicio.
Inicialmente, los investigadores lucharon por encontrar un método de integración funcional, pero finalmente terminaron usando puntos cuánticos porque pueden cultivarse directamente en silicio, dijo Norman. Los puntos cuánticos son partículas semiconductoras de unos pocos nanómetros de ancho, lo suficientemente pequeñas como para comportarsecomo átomos individuales. Cuando funcionan con corriente eléctrica, los electrones y los agujeros cargados positivamente quedan confinados en los puntos y se recombinan para emitir luz, una propiedad que puede explotarse para hacer láseres.
Los investigadores hicieron sus láseres de punto cuántico III-V utilizando una técnica llamada epitaxia de haz molecular. Depositan el material III-V sobre el sustrato de silicio y sus átomos se autoensamblan en una estructura cristalina. Pero la estructura cristalina del siliciodifiere de los materiales III-V, lo que lleva a defectos que permiten que escapen electrones y agujeros, lo que degrada el rendimiento. Afortunadamente, debido a que los puntos cuánticos se empaquetan a altas densidades, más de 50 mil millones de puntos por centímetro cuadrado, capturan electrones y agujeros anteslas partículas se pierden
Estos láseres tienen muchas otras ventajas, dijo Norman. Por ejemplo, los puntos cuánticos son más estables en los circuitos fotónicos porque tienen estados de energía atómica localizados. También pueden funcionar con menos energía porque no necesitan tanta corriente eléctrica. Además, pueden operar a temperaturas más altas y reducirse a tamaños más pequeños.
Norman dijo que, en el último año, los investigadores han logrado un progreso considerable gracias a los avances en el crecimiento de los materiales. Ahora, los láseres funcionan a 35 grados Celsius sin mucha degradación y los investigadores informan que la vida útil podría ser de hasta 10 millones de horas.
Ahora están probando láseres que pueden funcionar a 60 a 80 grados Celsius, el rango de temperatura más típico de un centro de datos o supercomputadora. También están trabajando en el diseño de guías de ondas epitaxiales y otros componentes fotónicos, dijo Norman. "De repente"dijo, "hemos progresado tanto que las cosas se ven un poco más a corto plazo"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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