Lasca

Os circuitos integrados baseados em silício seguiram a lei de Moore e foram impulsionados por muitos avanços tecnológicos em tecnologias de semicondutores. Agora, os pesquisadores olham além das arquiteturas de circuitos convencionais com o surgimento de ICs fotônicos. No entanto, a falta de uma fonte de laser confiável em chips de silício tem sido um grande obstáculo que limita o potencial dos ICs fotônicos de silício.

Neste artigo, examinamos uma nova pesquisa da Universidade de Stanford que aborda essas questões.

Os lasers são componentes-chave em sistemas ópticos no chip, mas um desafio técnico associado aos isoladores dificulta a manutenção nos chips. A luz do laser pode refletir sobre si mesma e desestabilizá-la ou desativá-la. Portanto, fibras ópticas tradicionais e sistemas ópticos volumosos usam isoladores ópticos que potencializam o efeito Faraday. Embora essa abordagem seja replicável em chips, a escalabilidade continua sendo um problema, pois não é compatível com sua tecnologia CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar).

Também houve avanços na fabricação de isoladores sem ímã ou isoladores que não dependiam do efeito Faraday. No entanto, eles levam a sistemas complexos e que consomem muita energia.

Pesquisadores da Universidade de Stanford sugerem, em seu artigo publicado na Nature Photonics, que um isolador ideal seria completamente passivo e livre de ímãs para ser escalável e compatível com a tecnologia CMOS. Eles criaram um isolador de escala de chip passivo eficaz a partir de materiais semicondutores conhecidos.

Um isolador óptico permite a transmissão de luz em apenas uma direção, cancelando efetivamente as ondas refletidas. Os isoladores que dependem do efeito de Faraday usam rotadores de Faraday, o principal componente dos isoladores que causa rotação na polarização da luz quando um campo magnético é aplicado.

Os isoladores dependentes de polarização usam um polarizador de entrada, um rotador de Faraday e um polarizador de saída. Para a luz viajando na direção inversa, o polarizador de entrada polariza a luz em 45 graus. O rotador de Faraday irá girar novamente em 45 graus. Como o polarizador de saída está alinhado verticalmente, a luz refletida polarizada horizontalmente será cancelada.

Por outro lado, isoladores independentes de polarização primeiro dividem os componentes ortogonais do feixe de entrada com um polarizador. Eles então os enviam através de um rotador de Faraday e os combinam no polarizador de entrada. A luz refletida aparecerá com um deslocamento e não poderá passar.

Tais sistemas são muito difíceis de implementar em chips, pois não seriam compatíveis com a tecnologia CMOS.

Os isoladores de onda contínua integrados que os pesquisadores de Stanford demonstraram funcionam com o efeito Kerr. É feito de nitreto de silício (SiN), que é um dos materiais semicondutores comuns e é fácil de produzir em massa.

O efeito Kerr sugere que uma substância isotrópica torna-se birrefringente sob um campo elétrico e que um campo elétrico devido à luz provoca uma variação no índice de refração do material, que seria proporcional à irradiância da luz.

O último efeito torna-se muito mais significativo com feixes intensos, como lasers. O efeito Kerr no anel SiN quebra a degenerescência entre os modos horário e anti-horário do anel e permite a transmissão de ondas de forma não simétrica.

O feixe de laser primário passa pelo anel de SiN, fazendo com que os fótons girem ao redor do anel no sentido horário. Simultaneamente, o feixe refletido faz os fótons girarem no sentido anti-horário.

A circulação dentro do anel leva ao acúmulo de energia. A potência crescente afeta o feixe mais fraco (feixe refletido neste caso), enquanto o feixe mais forte permanece inalterado.

Jelena Vučković, professora de engenharia elétrica em Stanford e autora sênior do estudo, e sua equipe construíram um protótipo como prova de conceito e demonstraram o acoplamento de dois isoladores de anel em uma cascata para obter um desempenho superior. Eles também relatam que, ao variar o acoplamento dos ressonadores de anel, eles podem compensar o isolamento e as perdas relacionadas ao acoplamento.