Una tecnología clave para habilitar las comunicaciones ópticas será la fotónica de silicio y en ella el láser de silicio híbrido desempeñará un papel de capital importancia.

En este artículo se explica cómo funciona el láser de silicio híbrido, de qué manera desempeña una función fundamental en la fotónica de silicio y cómo los chips fotónicos de silicio integrados permitirán la creación de "conductos de datos" ópticos por los que se transportarán terabits de información. Se necesitarán estas conexiones ópticas a escala terabit para satisfacer los requisitos de ancho de banda y distancia de los futuros servidores y centros de datos impulsados por cientos de procesadores.

Este nuevo láser se denomina "híbrido" debido a que combina dos materiales: silicio y un material a base de fosfuro de indio. Este último es un semiconductor compuesto de uso generalizado en la producción de láseres para comunicaciones de carácter comercial.

Este desarrollo presenta dos aspectos fundamentales:

1. Un diseño novedoso que utiliza un material a base de fosfuro de indio para la generación y amplificación de la luz, unido a una guía de onda de silicio que conforma la cavidad del láser y determina su desempeño.
2. Un proceso de fabricación de características únicas que genera un "pegamento" que une a estos dos materiales. Esta capa de pegamento tiene un espesor de sólo 25 átomos.

En este proceso, la oblea a base de fosfuro de indio se une directamente a un chip fotónico de silicio premoldeado. Esta unión no necesita la alineación del material a base de fosfuro de indio con el chip con la guía de onda de silicio. Al aplicarse una tensión al chip unido, la luz que se genera desde el material a base de fosfuro de indio se acopla directamente a la guía de onda de silicio, con lo cual se crea un láser de silicio híbrido.

Esta técnica de unión puede utilizarse en la oblea o en el chip, según la aplicación, y puede ofrecer una solución para la integración de la fibra óptica a gran escala en la plataforma de silicio.

El silicio es un material particularmente útil para los componentes fotónicos debido a que posee una propiedad fundamental: es transparente a las longitudes de onda infrarrojas a las que funcionan las comunicaciones ópticas. Por lo tanto, si bien el silicio es opaco al ojo humano, es transparente como el vidrio para un láser que funciona a longitudes de onda infrarrojas.

El silicio es un material particularmente útil para los componentes fotónicos debido a que posee una propiedad fundamental: es transparente a las longitudes de onda infrarrojas a las que funcionan las comunicaciones ópticas.

El anuncio del láser de silicio híbrido¹ se basa en los trabajos de investigación que venimos realizando, a saber: la primera demostración de un láser de silicio híbrido óptico² efectuada en 2005 y la primera demostración de una operación óptica de onda continua³ llevada a cabo en 2006.

Asimismo, el anuncio se basa en otros logros de Intel en su programa de investigación a largo plazo tendiente a siliconizar la fotónica mediante el silicio y los procesos de fabricación de silicio. En el año 2004, los investigadores de Intel fueron los primeros en demostrar un modulador óptico a base de silicio con un ancho de banda superior a 1 GHz. En el año 2005, los investigadores demostraron una transmisión de datos a 10 Gbps mediante un modulador de silicio. En ese mismo año, los investigadores de Intel fueron los primeros en demostrar que el silicio puede utilizarse para amplificar la luz y presentaron un láser de onda continua en un chip basado en el efecto Raman. En el año 2006, los investigadores de Intel demostraron el desempeño de primer nivel de los fotodetectores de silicio-germanio.

Estas fuentes externas de luz suelen ser láseres discretos y exigen una cuidadosa alineación con las guías de ondas de silicio. El problema que se plantea es que la alineación precisa es difícil y costosa. Hasta una mala alineación por una fracción de micrones del láser con la guía de onda de silicio puede inutilizar el dispositivo fotónico.

Si bien el silicio es opaco al ojo humano, es transparente como el vidrio para un láser que funciona a longitudes de onda infrarrojas.

Desde hace tiempo, en la fotónica de silicio se está tratando de crear una fuente de láser que pueda fabricarse directamente en el chip fotónico de silicio a gran escala y cuya luz emitida se alinee automáticamente con la guía de onda de silicio.

Para resolver este problema, Intel se ha unido al Profesor John Bowers de la UCSB, quien posee más de 25 años de experiencia en materiales a base de fosfuro de indio, láseres y otros materiales compuestos para semiconductores. En los últimos años, el Profesor Bowers desarrolló diversos dispositivos fotónicos novedosos, como los láseres de muy alta velocidad, moduladores y fotodetectores. Además, los integró en sistemas avanzados de transmisión de datos a velocidades de hasta 160 Gbps. Paralelamente, ha desarrollado técnicas de unión de obleas con el objeto de incrementar el desempeño de estos materiales.

El sustrato de silicio, que está marcado en gris en la parte inferior de la figura 1, es la base en la que se colocan los demás elementos. En este sustrato se apoya la guía de onda de silicio. El sustrato y la guía de onda se fabrican mediante procesos estándar de fabricación de silicio.

Figura 1. Diagrama transversal de un láser de silicio híbrido.

La oblea de silicio y la de fosfuro de indio se exponen a un plasma de oxígeno, que deja una delgada capa de óxido en cada de una de las dos superficies que actúa como pegamento. La capa de óxido tiene un espesor de tan solo 25 átomos; no obstante, es lo suficientemente fuerte como para unir los dos materiales en un solo componente.

El plasma de oxígeno que se utiliza para esta capa se asemeja, desde un punto de vista conceptual, al plasma que se utiliza en los tubos fluorescentes y las modernas pantallas de TV de plasma de alta definición. El plasma es un gas con carga eléctrica. Si bien en los tubos fluorescentes se utiliza el plasma que deriva de los gases de neón o argón, en el láser híbrido se usa el plasma de oxígeno para revestir los componentes y unirlos.

Cuando el silicio y el material a base de fosfuro de indio se calientan y se comprimen, las dos capas de óxido los fusionan.

Los contactos eléctricos, que se ilustran en amarillo en la figura 1, se modelan en el dispositivo. Cuando se aplica tensión a estos contactos, según se ilustra en la figura 2, los electrones fluyen de los contactos negativos hacia el contacto positivo. Cuando estos electrones encuentran orificios en la red del semiconductor, emiten un fotón (una partícula de luz). La capacidad de generar luz de esta manera es una propiedad del fosfuro de indio y de otros compuestos (denominados "semiconductores de bandgap directo"). El silicio emite poca luz ya que genera calor en lugar de luz cuando se aplica electricidad; por ello, es necesario el material a base de fosfuro de indio.

Según se ilustra en la figura 2, la luz generada en el material a base de fosfuro de indio pasa directamente a través de la capa de pegamento hacia la guía de onda de silicio, que actúa como la cavidad del láser a fin de crear el láser de silicio híbrido.

Figura 2 . Cuando se aplica tensión a los contactos, la corriente fluye y los
electrones (-) y orificios (+) se recombinan en el centro y generan luz.

El diseño de las guías de onda de silicio es fundamental para determinar el desempeño del láser de silicio híbrido y permitirá construir futuras versiones que generarán longitudes de onda determinadas.

1. El láser es compacto por lo que pueden integrarse numerosos láseres en un solo chip. El primer láser de silicio híbrido que se demostró tiene una longitud de tan solo 800 micrones y las futuras generaciones serán mucho más pequeñas.
2. Cada uno de estos láseres puede tener una longitud de onda de salida diferente mediante la modificación de las propiedades de la guía de onda de silicio sin tener que cambiar el material a base de fosfuro de indio.
3. Los materiales se unen sin alineación y se fabrican mediante procesos de producción a gran escala y bajo costo.
4. El láser es fácil de integrar con otros dispositivos fotónicos de silicio a fin de producir chips fotónicos de silicio sumamente integrados. En la figura 3 se ofrece un ejemplo.

La figura 3 muestra el aspecto de un futuro transceptor óptico integrado a escala terabit. Consta de una hilera de pequeños láseres compactos de silicio híbridos y cada uno ellos genera una luz a una longitud de onda diferente (color). Estas distintas longitudes de onda se dirigen hacia una hilera de moduladores de silicio de alta velocidad que codifican los datos en cada una de las longitudes de onda de los láseres. Un multiplexor óptico combinaría estos flujos de datos en una sola fibra de salida. Una de las ventajas de las comunicaciones ópticas es que todas estas señales pueden enviarse simultáneamente por una fibra sin interferir entre sí. Si se integraran 25 láseres de silicio híbridos con 25 moduladores de silicio que se ejecutan a 40 Gbps, el resultado sería la transmisión de 1 terabit por segundo de datos ópticos desde un solo chip de silicio integrado.

Figura 3. Concepto de un futuro transmisor óptico de silicio integrado a escala terabit que contiene 25 láseres de silicio híbridos, que emiten a una longitud de onda diferente, con 25 moduladores de silicio, todos multiplexados en una sola fibra de salida.

Mediante este transceptor fotónico de silicio sumamente integrado, es posible imaginar un mundo futuro en el que la mayoría de los dispositivos de computación contarán con conectividad óptica de alto ancho de banda. Ya sea que se trate de servidores, equipos de escritorio o dispositivos clientes más pequeños, todos ellos tendrán acceso a un ancho de banda considerablemente superior a un costo menor.

Se anticipa que un chip fotónico integrado, como el que se ilustra en la figura 3, desempeñará una función importante en el Programa de investigación de informática a escala tera de Intel, cuyo objetivo es potenciar el procesamiento multi-core al mantener todos los núcleos de los procesadores con el máximo nivel de actividad posible. Considerando la alta capacidad de estos núcleos y los planes de colocar de decenas a cientos de núcleos en un solo chip en el futuro, las demandas de datos serán considerables. En consecuencia, los servidores a escala tera, algún día, deberán contar con comunicaciones ópticas para proporcionar el ancho de banda y los grandes volúmenes de datos necesarios para el procesamiento con varios núcleos. Una tecnología clave para habilitar las comunicaciones ópticas será la fotónica de silicio y en ella el láser de silicio híbrido desempeñará un papel de capital importancia.