Uma tecnologia chave para permitir a comunicação óptica poderia ser a dos fotônicos de silícios — com o laser de silício híbrido desempenhando uma função central.

Este artigo explica o funcionamento do laser de silício híbrido, como ele é um acionador importante para fotônicos de silício e como os chips fotônicos de silício integrados resultantes poderiam, algum dia, permitir a criação de “canalizações de dados” ópticas transmitindo terabits de informações. Essas conexões ópticas de terabits deverão atender aos requisitos de largura de banda e distância dos futuros servidores e data centers acionados por centenas de processadores.

Esse novo laser é chamado de “híbrido” porque combina dois materiais: silício e material baseado em fosfeto de índio. O material baseado em fosfeto de índio é um semicondutor composto, amplamente usado hoje em dia para produzir lasers para comunicação comercial.

Há dois aspectos principais nesse desenvolvimento:

1. Um novo projeto que usa um material baseado em fosfeto de índio para a geração e amplificação da luz, ligado a uma guia de onda de silício, que forma a cavidade do laser e determina o desempenho do laser.
2. Um processo de fabricação único, que gera uma “cola” que funde esses dois materiais. Essa camada de cola tem apenas 25 átomos de espessura.

Nesse processo, o wafer baseado em fosfeto de índio é ligado diretamente a um chip fotônico de silício pré-moldado. Essa ligação não precisa alinhar o material baseado em fosfeto de índio ao chip guia de onda de silício. Quando é aplicada tensão ao chip colado, a luz gerada do material baseado em fosfeto de índio se combina diretamente com a guia de onda de silício, criando um laser de silício híbrido.

Essa técnica de ligação pode ser executada no nível do wafer ou pastilha, dependendo da aplicação, e pode ser uma solução para a integração óptica em larga escala a uma plataforma de silício.

O silício é um material muito útil para componentes fotônicos, devido a uma propriedade chave: é transparente nos comprimentos de ondas infravermelhas nas quais opera a comunicação óptica. Portanto, embora o silício seja opaco para o olho humano, é claro como o vidro para um laser operando a comprimentos de ondas infravermelhas.

O silício é um material muito útil para componentes fotônicos, devido a uma propriedade chave: é transparente nos comprimentos de ondas infravermelhas nas quais opera a comunicação óptica.

O anúncio do laser de silício híbrido¹ conta com nossa pesquisa anterior, ou seja, a primeira demonstração de um laser de silício híbrido bombeado opticamente² em 2005, e a primeira demonstração da operação de onda contínua, bombeada opticamente³ em 2006.

O anúncio também depende de outras realizações da Intel em nosso programa de pesquisa de longa data, para siliconizar fotônicos usando silício e processos de fabricação de silício. Em 2004, os pesquisadores da Intel foram os primeiros a demonstrar um modulador óptico baseado em silício, com uma largura de banda acima de 1 GHz. Em 2005, os pesquisadores demonstraram transmissões de dados a 10 Gbps, usando um modulador de silício. Também em 2005, os pesquisadores da Intel foram os primeiros a demonstrar que o silício poderia ser usado para amplificar o raio luminoso, e produziram um laser de onda contínua em um chip, com base no efeito Raman. Em 2006, os pesquisadores da Intel demonstraram um desempenho de nível internacional nos fotodetectores de silício-germânio.

Geralmente, essas fontes de luz externas são lasers discretos e exigem um alinhamento cuidadoso com as guias de ondas de silício. O problema é que o alinhamento preciso é difícil e dispendioso. Até mesmo o desalinhamento submicrônico do laser com a guia de onda de silício pode tornar inútil o dispositivo fotônico resultante.

Embora o silício seja opaco para o olho humano, é claro como o vidro para um laser operando a comprimentos de ondas infravermelhas.

Uma antiga conquista nos fotônicos de silício foi a criação de uma fonte de laser que pode ser fabricada diretamente no chip fotônico de silício, em alto volume, e cuja luz emitida é automaticamente alinhada à guia de onda de silício.

Para solucionar este problema, a Intel fez uma parceria com o Professor John Bowers na UCSB, que tem mais de 25 anos de experiência trabalhando com materiais baseados em fosfeto de índio, lasers e outros materiais semicondutores compostos. Ele desenvolveu nos últimos anos diversos dispositivos fotônicos novos, inclusive lasers de altíssima velocidade, moduladores e fotodetectores. Além disso, eles os integrou a sistemas de transmissão avançados, a taxas de dados de até 160 Gbps. Paralelamente, ele vem desenvolvendo técnicas de ligação em wafer para otimizar o desempenho desses materiais.

O substrato de silício, marcado na cor cinza na parte inferior da Figura 1, é a base sobre a qual outros itens são posicionados. Nesse substrato repousa a guia de onda de silício. Tanto o substrato quanto a guia de onda são fabricados por meio de processos padrão de fabricação de silício.

Figura 1. Esquema de corte transversal de um laser de silício híbrido.

Em seguida, o wafer de silício e o wafer baseado em fosfeto de índio são expostos a um plasma de oxigênio, que deixa uma fina camada de óxido em cada uma das duas superfícies, que atua como uma camada de cola. A camada de óxido tem apenas 25 átomos de espessura, embora seja suficientemente forte para combinar os dois materiais em um único componente

O plasma de oxigênio usado nessa camada é semelhante em conceito ao plasma utilizado nas lâmpadas fluorescentes e nas modernas telas de TV de plasma de alta definição. Plasma é um gás carregado eletricamente. Embora as lâmpadas fluorescentes sejam baseadas em plasma, oriundo dos gases neón ou argônio, o laser híbrido depende do plasma de oxigênio para revestir os componentes e ligá-los.

Quando o silício e o material baseado em fosfeto de índio são aquecidos e pressionados, as duas camadas de óxido se fundem.

Os contatos elétricos, mostrados em amarelo na Figura 1, são, então, padronizados no dispositivo. Quando é aplicada tensão nesses contatos, como mostra a Figura 2, os elétrons fluem dos contatos negativos para o contato positivo. Quando esses elétrons encontram orifícios na estrutura do semicondutor, eles emitem um fóton (uma partícula de luz). A possibilidade de gerar luz dessa maneira é uma propriedade do fosfeto de índio e de outros compostos (conhecidos como semicondutores de lacuna direta de banda). O silício é um emissor de luz deficiente porque gera calor em vez de luz, quando a eletricidade é aplicada — daí, a necessidade do material baseado em fosfeto de índio.

Como mostra a Figura 2, a luz gerada no material baseado em fosfeto de índio penetra, através da camada de cola, diretamente na guia de onda de silício abaixo, que funciona como a cavidade do laser para criar o laser de silício híbrido.

Figura 2. Quando a tensão é aplicada aos contatos, a corrente flui, e os
elétrons (-) e os orifícios (+) se recombinam no centro e geram a luz.

O projeto das guias de onda de silício individuais é crítico para determinar o desempenho do laser de silício híbrido, e permitirá a construção de futuras versões para gerar comprimentos de ondas específicos.

1. O laser é compacto, de modo a permitir a integração de vários lasers em um único chip. O primeiro laser de silício híbrido demonstrado tem apenas cerca de 800 micra de comprimento. As futuras gerações serão muito menores.
2. Cada um desses lasers pode ter um comprimento de onda de saída diferente, ao modificar apenas as propriedades da guia de onda de silício, sem precisar alterar o material baseado em fosfeto de índio.
3. Os materiais são ligados sem alinhamento e fabricados por meio de processos de fabricação em massa, de baixo custo.
4. O laser tem facilidade de se integrar com outros dispositivos fotônicos de silício, para produzir chips fotônicos de silício altamente integrados. Um exemplo disso consta na Figura 3.

A Figura 3 ilustra a possível aparência de um proposto transceptor óptico integrado, de terabits. Ele consiste em uma fileira de pequenos lasers compactos de silício híbrido, cada qual gerando luz a laser com um comprimento de onda (cor) diferente. Esses diferentes comprimentos de onda são, então, direcionados para uma fileira de moduladores de silício de alta velocidade, que codificam os dados em cada um dos diferentes comprimentos de onda de laser. Um multiplexador óptico combinaria todos esses fluxos de dados individuais em uma única fibra de saída. Um dos benefícios da comunicação óptica é que todos esses sinais podem ser enviados simultaneamente através de uma fibra, sem interferência entre si. Se os 25 lasers de silício híbrido fossem integrados a 25 moduladores de silício, cada qual rodando a 40 Gbps, o resultado seria 1 terabit por segundo de dados ópticos sendo transmitidos de um único chip de silício integrado.

Figura 3. Conceito de um futuro transmissor óptico de silício integrado, de terabits, contendo 25 lasers de silício híbrido, cada qual emitindo em um comprimento de onda diferente, combinado em 25 moduladores de silício, todos multiplexados em conjunto em uma única fibra de saída.

Com esse transceptor fotônico de silício altamente integrado, é possível imaginar um mundo futuro em que a maioria dos dispositivos tecnológicos estejam equipados com conectividade óptica de alta largura de banda. Sejam servidores, desktops ou dispositivos cliente menores, todos os dispositivos terão acesso à largura de banda muito mais alta, a um custo mais baixo.

Um chip fotônico integrado, como o da Figura 3, deverá desempenhar um papel importante no Programa Intel® de Pesquisa de Computação em Escala Tera, que pretende alavancar o processamento multi-core, mantendo todos os núcleos do processador o mais ocupados possível. Devido à alta capacidade desses núcleo e aos planos para colocar dezenas a centenas de núcleos em um único chip no futuro, as demandas de dados serão substanciais. Conseqüentemente, os servidores em escala tera podem exigir algum dia a comunicação óptica para fornecer a largura de banda e os grandes volumes de dados necessários para processar com vários núcleos. Uma tecnologia chave para permitir a comunicação óptica poderia ser a dos fotônicos de silícios — com o laser de silício híbrido desempenho uma função central.