Intel desarrolla el primer Láser de Silicio

21 Feb 2005 en Servidores

Intel anunció que ha logrado un importante adelanto científico utilizando el proceso de manufactura con silicio ordinario para crear el primer láser de silicio del mundo. Este adelanto podría llevar rayos láser y dispositivos ópticos de bajo costo y alta calidad al uso común en aplicaciones de cómputo, comunicaciones y médicas.

Como se reportó en el último número de la revista cientifica Nature, investigadores de Intel han encontrado una forma de usar el llamado efecto Raman y la estructura cristalina del silicio para amplificar la luz al pasar por ella. Cuando se irradia con luz de una fuente externa, el chip experimental produce un láser continuo de alta calidad. Aunque aún está lejos de convertirse en un producto comercial, la capacidad de crear un rayo láser a partir del silicio ordinario podría llevar a la creación de dispositivos ópticos de bajo costo que desplazan datos entre computadoras a la velocidad de la luz (dando origen a  nuevas aplicaciones para la computación de alta velocidad).

“Fundamentalmente, hemos demostrado por vez primera que el silicio ordinario se puede utilizar para construir dispositivos que amplifican la luz”, dijo el Dr. Mario Paniccia, director del Laboratorio de Tecnología Fotónica de Intel. “El uso de dispositivos fotónicos de alta calidad ha sido limitado porque son costosos de producir y ensamblar. Esta investigación es un paso importante para traer los beneficios de  dispositivos ópticos de silicio  de bajo costo al mercado”.

Hoy, todas las computadoras tienen una fuente de poder que alimentan los chips, el disco duro y dispositivos periféricos. En el futuro, es posible que las PCs integren también una fuente para alimentar pequeños rayos láser, amplificadores e interconexiones ópticas que desplacen terabytes de datos entre computadoras y a través de redes. Además, existen longitudes de onda de luz especiales que son óptimas para interacciones con el tejido humano. Por ejemplo, un tipo de láser puede ser útil para trabajar en las encías y otro para abrir cavidades en los dientes. Hoy, estos rayos láser cuestan decenas de miles de dólares cada uno, limitando con ello su uso. Este adelanto de Intel podría llevarnos a  producir rayos láser médicos más accesibles de modo que las visitas al dentista sean más sencillas y menos dolorosas para los pacientes.

Detalles técnicos
La creación de un rayo láser Raman en silicio comienza con el grabado de una guía de onda (un conducto para la luz en un chip). El silicio es transparente para la luz infrarroja; de modo que cuando se dirige luz a una guía de onda, ésta puede ser contenida y canalizada en un chip. Al igual que el primer rayo láser desarrollado en 1960, los investigadores de Intel utilizaron una fuente de luz externa para “bombear” luz a su chip. Conforme se bombea luz, las vibraciones atómicas naturales del silicio amplifican la luz en su paso por el chip. Llamado efecto Raman, esta amplificación es más de 10.000 veces más potente en el silicio que en la fibra de vidrio o fibra óptica. Los rayos láser y amplificadores Raman son utilizados hoy día en la industria de las telecomunicaciones y utilizan kilómetros de fibra para amplificar la luz. Mediante el uso de silicio, los investigadores de Intel pudieron amplificar la luz con un chip de silicio de unos cuantos centímetros de tamaño.

Un láser es cualquier dispositivo que emite un rayo de luz intenso y coherente (donde todos los fotones tienen la misma longitud de onda, fase y dirección). Cubriendo los lados del chip con un material reflexivo, similar a las cubiertas que se utilizan en anteojos para el sol de alta calidad, el equipo de investigadores de Intel pudo contener y amplificar la luz al rebotar de un lado al otro del chip. Al incrementar la energía de bombeo se llegó a un umbral crítico donde, al instante, un rayo de luz coherente muy preciso (es decir, un láser) salió del chip.

El logro
Inicialmente, ellos descubrieron que incrementar el poder del bombeo de luz más allá de cierto punto no incrementaba más la amplificación de luz en el chip y finalmente incluso la disminuía. La razón de esto resultó ser un proceso físico llamado “Two-Photon Absorption” (“Absorción de dos fotones”), que ocurre cuando dos fotones del haz de bombeo chocan contra un átomo al mismo tiempo y expulsan un electrón. Estos electrones en exceso se acumulan y se reúnen en la guía de onda hasta que absorben tanta luz que se detiene la amplificación.

El logro de Intel fue integrar una estructura, llamada técnicamente dispositivo PIN (P-type – Intrinsic – N-type) en la guía de onda en el chip. Cuando se aplica un voltaje al PIN, éste actúa como aspiradora y elimina la mayoría de los electrones que absorben la luz. El dispositivo PIN combinado con el efecto Raman produce un rayo láser continuo.

Lograr que el silicio y la luz trabajen juntos
La investigación en torno a la fotónica del silicio en Intel se inició como una forma de explorar la aplicación de los conocimientos del silicio de la compañía al desarrollo de dispositivos ópticos integrados que pudieran ser incorporados en diversos productos por clientes de Intel. El equipo de investigación de la fotónica del silicio ha tenido varios logros, comenzando en 2004 con el primer modulador óptico a base de silicio para codificar datos a 1 GHz, lo que representa un incremento de más de 50 veces el récord anterior de la investigación de unos 20 MHz.

“Tenemos programas de investigación a largo plazo para hallar nuevas formas de aplicar nuestros conocimientos del silicio para facilitar la vida a las personas”, dijo Kevin Kahn, Intel Senior Fellow y director del Laboratorio de Tecnología de Comunicaciones de Intel. “Por ejemplo, estamos desarrollando redes con sensores inalámbricos que se pueden utilizar para detectar fallas en equipos listos para salir al mercado antes de que ocurran o para mejorar los servicios de atención a la salud para ancianos. Nuestra meta de ‘silicionizar’ la fotónica consiste en utilizar nuestras técnicas de manufactura de silicio para producir en masa dispositivos ópticos de bajo costo de modo para que los beneficios de la fotónica de alto ancho de banda se puedan aprovechar en las industrias de la computación y las comunicaciones”.

El reporte acerca de esta investigación fue publicado en Nature, con fecha del 17 de febrero. El documento, titulado “A continuous wave Raman Silicon Laser” (“Un rayo láser de silicio Raman de onda continua”), fue elaborado por los investigadores de Intel Haisheng Rong, Richard Jones, Ansheng Liu, Oded Cohen, Dani Hak, Alexander Fang y Mario Paniccia. Se puede encontrar una copia del documento y más información en www.intel.com/technology/sp.