Nanolaser de plasmón-polaritón superficial bombeado eléctricamente. Crédito: Dmitry Fedyanin
Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del King’s College de Londres despejaron el obstáculo que había impedido la creación de nanoláseres eléctricos para circuitos integrados. El enfoque, informado en un artículo reciente en Nanofotónica, permite un diseño coherente de la fuente de luz en la escala no solo cientos de veces más pequeña que el grosor de un cabello humano, sino incluso más pequeña que la longitud de onda de la luz emitida por el láser. Esto sienta las bases para la transferencia de datos ópticos ultrarrápida en los microprocesadores de muchos núcleos que se espera que surjan en un futuro próximo.
Las señales de luz revolucionaron las tecnologías de la información en la década de 1980, cuando las fibras ópticas comenzaron a reemplazar los cables de cobre, lo que agilizó la transmisión de datos en órdenes de magnitud. Dado que la comunicación óptica se basa en la luz, ondas electromagnéticas con una frecuencia de varios cientos de terahercios, permite transferir terabytes de datos cada segundo a través de una sola fibra, superando ampliamente a las interconexiones eléctricas.
La fibra óptica es la base de la Internet moderna, pero la luz podría hacer mucho más por nosotros. Podría ponerse en acción incluso dentro de los microprocesadores de supercomputadoras, estaciones de trabajo, teléfonos inteligentes y otros dispositivos. Esto requiere el uso de líneas de comunicación óptica para interconectar los componentes puramente electrónicos, como los núcleos del procesador. Como resultado, se podrían transferir grandes cantidades de información a través del chip casi instantáneamente.
Deshacerse de la limitación en la transmisión de datos permitirá mejorar directamente el rendimiento del microprocesador al apilar más núcleos de procesador, hasta el punto de crear un procesador de 1000 núcleos que sería prácticamente 100 veces más rápido que su contraparte de 10 núcleos, que se persigue por los gigantes de la industria de semiconductores IBM, HP, Intel, Oracle y otros. Esto, a su vez, permitirá diseñar una verdadera supercomputadora en un solo chip.
El desafío es conectar la óptica y la electrónica a nanoescala. Para lograr esto, los componentes ópticos no pueden ser más grandes que cientos de nanómetros, que es aproximadamente 100 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. Esta restricción de tamaño también se aplica a los láseres en chip, que son necesarios para convertir información de señales eléctricas en pulsos ópticos que transportan los bits de los datos.
Sin embargo, la luz es una especie de radiación electromagnética con una longitud de onda de cientos de nanómetros. Y el principio de incertidumbre cuántica dice que hay un cierto volumen mínimo en el que se pueden localizar las partículas de luz o fotones. No puede ser más pequeño que el cubo de la longitud de onda. En términos crudos, si uno hace un láser demasiado pequeño, los fotones no encajarán en él. Dicho esto, hay formas de evitar esta restricción sobre el tamaño de los dispositivos ópticos, que se conoce como límite de difracción. La solución es reemplazar fotones con plasmones-polaritones de superficie, o SPP.
Los SPP son oscilaciones colectivas de electrones que están confinados a la superficie de un metal e interactúan con el campo electromagnético circundante. Solo unos pocos metales conocidos como metales plasmónicos son buenos para trabajar con SPP: oro, plata, cobre y aluminio. Al igual que los fotones, las SPP son ondas electromagnéticas, pero a la misma frecuencia están mucho mejor localizadas, es decir, ocupan menos espacio. El uso de SPP en lugar de fotones permite “comprimir” la luz y así superar el límite de difracción.
El diseño de láseres plasmónicos verdaderamente a nanoescala ya es posible con las tecnologías actuales. Sin embargo, estos nanoláseres se bombean ópticamente, es decir, tienen que iluminarse con láseres externos voluminosos y de alta potencia. Esto puede resultar conveniente para experimentos científicos, pero no fuera del laboratorio. Un chip electrónico destinado a la producción en masa y aplicaciones de la vida real tiene que incorporar cientos de nanoláseres y funcionar en una placa de circuito impreso ordinaria. Un láser práctico debe ser bombeado eléctricamente o, en otras palabras, alimentado por una batería ordinaria o fuente de alimentación de CC. Hasta ahora, estos láseres solo están disponibles como dispositivos que funcionan a temperaturas criogénicas, lo que no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones prácticas, ya que normalmente no es posible mantener el enfriamiento con nitrógeno líquido.
Los físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) y el King’s College de Londres han propuesto una alternativa a la forma convencional en que funciona el bombeo eléctrico. Por lo general, el esquema de bombeo eléctrico de nanoláseres requiere un contacto óhmico hecho de titanio, cromo o un metal similar. Además, ese contacto tiene que ser parte del resonador, el volumen donde se genera la radiación láser. El problema con eso es que el titanio y el cromo absorben fuertemente la luz, lo que daña el rendimiento del resonador. Dichos láseres sufren una alta corriente de bombeo y son susceptibles de sobrecalentarse. Es por ello que surge la necesidad del enfriamiento criogénico, junto con todos los inconvenientes que conlleva.
El nuevo esquema propuesto para el bombeo eléctrico se basa en una doble heteroestructura con un contacto de túnel Schottky. Hace que el contacto óhmico con su metal fuertemente absorbente sea redundante. El bombeo ahora ocurre a través de la interfaz entre el metal plasmónico y el semiconductor, a lo largo del cual se propagan los SPP. “Nuestro novedoso enfoque de bombeo hace posible llevar el láser accionado eléctricamente a la nanoescala, al tiempo que conserva su capacidad para operar a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, a diferencia de otros nanoláseres bombeados eléctricamente, la radiación se dirige eficazmente a una guía de ondas fotónica o plasmónica, lo que hace que el nanoláser se adapte a los circuitos integrados ”, comentó el Dr. Dmitry Fedyanin del Centro de Fotónica y Materiales 2D de MIPT.
El nanoláser plasmónico propuesto por los investigadores es más pequeño, en cada una de sus tres dimensiones, que la longitud de onda de la luz que emite. Además, el volumen ocupado por los SPP en el nanolaser es 30 veces menor que la longitud de onda de la luz al cubo. Según los investigadores, su nanoláser plasmónico a temperatura ambiente podría hacerse fácilmente incluso más pequeño, lo que haría que sus características fueran aún más impresionantes, pero eso se produciría a costa de la incapacidad de extraer de manera efectiva la radiación en una guía de ondas de bus. Por lo tanto, aunque una mayor miniaturización haría que el dispositivo fuera poco aplicable a los circuitos integrados en chip, aún sería conveniente para sensores químicos y biológicos y espectroscopía óptica de campo cercano u optogenética.
A pesar de sus dimensiones a nanoescala, la potencia de salida prevista del nanoláser asciende a más de 100 microvatios, que es comparable a láseres fotónicos mucho más grandes. Una potencia de salida tan alta permite que cada nanolaser se utilice para transmitir cientos de gigabits por segundo, eliminando uno de los obstáculos más formidables para los microchips de mayor rendimiento. Y eso incluye todo tipo de dispositivos informáticos de alta gama: procesadores de supercomputadoras, procesadores gráficos y tal vez incluso algunos dispositivos que se inventarán en el futuro.
Referencia: “Lasing a nanoescala: emisión coherente de plasmones superficiales por un nanolaser impulsado eléctricamente” por Dmitry Yu. Fedyanin, Alexey V. Krasavin, Aleksey V. Arsenin y Anatoly V. Zayats, 20 de julio de 2020, Nanofotónica.
DOI: 10.1515 / nanoph-2020-0157
El estudio fue apoyado por una subvención de la Fundación Rusa para la Investigación Básica.
