Pesquisadores da Caltech descobriram uma maneira de transferir luz através de wafers de silício com perda de sinal excepcionalmente baixa, atingindo níveis de comprimento de onda visíveis próximos aos das fibras ópticas. Este progresso poderá apoiar uma nova geração de circuitos integrados fotónicos (PICs) altamente coerentes e energeticamente eficientes, com utilizações potenciais que vão desde relógios ópticos e giroscópios até comunicações de centros de dados de IA e computação quântica.
A fibra óptica já representa uma grande parte da infra-estrutura por trás das comunicações modernas. Isto permite que as informações viajem longas distâncias em alta velocidade porque o vidro dentro da fibra é extremamente puro e sua superfície foi projetada para ser excepcionalmente lisa. Como resultado, a maior parte da luz que entra por uma extremidade pode atingir a outra sem ser absorvida, espalhada ou perdida de outra forma. Os pesquisadores chamam isso de desempenho de perda ultrabaixa.
“Durante anos, temos trabalhado para traduzir a fabricação de fibras ópticas baseada em carretéis em wafers de silício, enquanto tentamos preservar a marca registrada da perda ultrabaixa da fibra”, diz Kerry Wahala (BS ’80, PhD ’85), professor Ted e Ginger Jenkins de Ciência e Tecnologia da Informação e Física Aplicada na Caltech. “Desenvolvemos um método para imprimir circuitos ópticos feitos do mesmo material das fibras ópticas diretamente em wafers de 8 e 12 polegadas usados em chips de computador. Essa mudança em direção ao desempenho semelhante ao da fibra, especialmente na banda visível, permitirá novas tecnologias que se beneficiarão de perdas de energia de circuito insignificantemente menores.”
A equipe relata a técnica em um artigo publicado recentemente Natureza. Os principais autores do estudo são o pós-doutorado da Caltech Hao-Jing Chen e o estudante de pós-graduação Kellan Colburn (MS ’25), que trabalhou no laboratório de Wahala.
Colocando vidro de fibra óptica em chips
Os pesquisadores criam guias de onda (caminhos no chip em nanoescala que canalizam a luz) usando silicato alemão, o mesmo tipo de vidro usado em fibras ópticas. Eles adaptaram o material a um método de fabricação baseado em litografia, adequado para fazer dispositivos em wafers.
Em vez de correrem em linha reta, os guias de onda são dispostos em espirais. Isso permite que a luz viaje por um caminho óptico muito longo, permanecendo dentro de uma área muito pequena. A ideia se assemelha ao enrolamento de uma fibra óptica em torno de um carretel, mas a nanofabricação torna possível ajustar o caminho em um espaço muito menor.
“Os guias de ondas de silicato alemão exibem perdas extremamente baixas e são facilmente adaptáveis para transferir luz com eficiência entre fibras ópticas e lasers semicondutores, o que é de suma importância na redução dos custos gerais de energia da infraestrutura de servidores”, diz Henry Blauvelt (PhD ’83), associado visitante em física aplicada e ciência de materiais na Caltech; Diretor de Tecnologia da Amcor, empresa especializada em circuitos fotônicos; e autor do artigo recente.
Ganho de 20 vezes em comprimentos de onda visíveis
Nos comprimentos de onda do infravermelho próximo, os dispositivos construídos com a nova plataforma Caltech já alcançaram o desempenho de alguns dos melhores dispositivos anteriores feitos de nitreto de silício. O nitreto de silício é amplamente utilizado em tecnologia óptica porque pode transmitir dados com relativamente pouca perda de sinal.
O ganho torna-se muito grande em comprimentos de onda visíveis. A nova plataforma de silicato alemão supera significativamente o nitreto de silício nesta parte do espectro.
“Devido à temperatura de fusão comparativamente baixa do material, podemos colocar nossos dispositivos em um forno para ‘refluir’ a superfície de nossos guias de ondas para reduzir sua suavidade ao nível de átomos individuais, o que suprime amplamente as graves perdas de espalhamento que limitam os PICs visíveis convencionais, “diz Chen. “Em comprimentos de onda visíveis, nossa plataforma recente excede o recorde de nitreto de silício em 20 vezes e temos mais espaço para melhorar.”
A redução das perdas pode ter um impacto dramático no desempenho dos dispositivos ópticos. Por exemplo, os lasers produzidos com a nova plataforma mostram uma melhoria de mais de 100 vezes em relação aos designs anteriores no tempo que a sua luz permanece coerente.
“A cobertura estendida de comprimento de onda oferecida por nosso método apoiará muitas operações atômicas importantes, tornando possíveis sensores atômicos em escala de chip, relógios ópticos e sistemas de armadilha de íons”, diz Chen.
Por que os chips minúsculos precisam de desempenho em escala de quilômetros?
A princípio, tentar medir os danos em distâncias de metros ou quilômetros pode parecer excessivo para dispositivos que cabem em um chip pequeno.
Colburn admite que à primeira vista pode parecer “um pouco ridículo” que os investigadores apontem para perdas que podem ser descritas em termos de percentagens de quilómetros. “Afinal, nossos chips têm apenas 2 centímetros de largura. Mas, na realidade, existem muitas aplicações onde isso seria muito poderoso”, afirma.
Um exemplo é o ressonador de anel, que é um dispositivo óptico básico usado tanto em pesquisas científicas quanto em transmissão de dados. A luz entra no dispositivo e é direcionada para um anel, onde pode continuar a se propagar por um longo período de tempo. Esta circulação repetida fortalece a luz em frequências específicas.
Embora o anel físico possa medir apenas alguns milímetros, a distância efetiva total percorrida pela luz depende de quanta energia é perdida do guia de ondas a cada rotação.
“É aqui que a redução da perda por metro ou, em última análise, por quilômetro realmente importa”, diz Colburn. “Quanto maior o tempo que a luz pode se propagar, melhor será o desempenho dos dispositivos resultantes”.
Para lasers que dependem desses ressonadores para aumentar a coerência, o ganho aumenta exponencialmente. Cada fator de redução de 100 na perda produz um fator de melhoria de 100 na coerência.
Dos relógios ópticos à tecnologia quântica
A capacidade de criar guias de ondas de perda ultrabaixa em comprimentos de onda visíveis pode ser útil para muitas tecnologias diferentes.
“Uma das razões pelas quais é tão atraente é que tem a qualidade de um canivete suíço – pode ser aplicado em uma ampla variedade de ambientes”, diz Wahla.
Para demonstrar essa versatilidade, os pesquisadores descrevem em seu artigo vários dispositivos feitos com o novo material. Estes incluem ressonadores de anel, vários tipos de lasers e ressonadores não lineares capazes de gerar uma gama de frequências.
Os pesquisadores também veem os resultados atuais como um ponto de partida e não como um ponto final.
“Não fomos tão longe quanto queríamos, mas fizemos progressos significativos nos últimos cinco anos e estamos relatando isso aqui”, diz Wahala.
O artigo é intitulado “Rumo à perda semelhante à fibra para integração fotônica do violeta ao infravermelho próximo.” Outros autores do Caltech são os estudantes de pós-graduação Peng Liu (MS ’24), Hongrui Yan, Jinhao Ge (MS ’24), Jin-Yu Liu (MS ’24) e Phineas Lehan; Ex-aluno de pós-graduação King-Shin Ji (PhD ’25); ex-bolsista de pós-doutorado Ziquan Yuan (PhD ’24); e Hanfei Hou que participaram da pesquisa como parte do programa Summer Undergraduate Research Fellowship. Dirk Bouwmeester, da UC Santa Barbara e da Universidade de Leiden, na Holanda, e Christopher Holmes e James Gates, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, também são coautores. Este trabalho foi financiado por doações da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, do Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas e do Instituto Kavli de Nanociência da Caltech.
