Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) anunciaram recentemente um grande avanço tecnológico. Eles desenvolveram com sucesso uma nova tecnologia que pode atingir perda extremamente baixa de transmissão de sinal óptico em wafers de silício, e seu desempenho se aproxima até do nível das fibras ópticas tradicionais na banda de luz visível.


Esta conquista marca um passo fundamental no campo dos circuitos integrados fotônicos (PICs), abrindo caminho para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos com excelente coerência e perda de energia extremamente baixa. A pesquisa detalha um método de utilização de materiais de fibra óptica para construir caminhos ópticos diretamente no chip, e o artigo relacionado foi publicado na revista Nature.

Durante muito tempo, a fibra óptica tornou-se a pedra angular das redes de comunicação globais com o seu material de vidro de altíssima pureza e superfície atomicamente lisa, capaz de transmitir grandes quantidades de dados com perdas extremamente baixas. Uma equipe liderada por Kerry Vahala, professor de física aplicada e ciência e tecnologia da informação no Instituto de Tecnologia da Califórnia, está empenhada em “transplantar” o processo de fabricação desta fibra óptica para os wafers de silício usados ​​na produção de chips de computador. A equipe de pesquisa usou o mesmo material de vidro germano-silicato da fibra óptica e usou a tecnologia de fotolitografia para construir um canal de transmissão de luz chamado “guia de ondas” no chip. Para resolver o problema da rugosidade da superfície em escala microscópica, os pesquisadores introduziram um processo inovador: colocar o chip em um forno de alta temperatura para processamento de "refluxo", de modo que a superfície do guia de ondas seja derretida e suavizada ao nível atômico. Este processamento suprime bastante a perda de dispersão de luz e resolve o principal gargalo que há muito tempo restringe o desenvolvimento de circuitos integrados fotônicos na banda de luz visível.

Os resultados dos testes mostram que o desempenho deste novo chip na banda do infravermelho próximo é equivalente à atual tecnologia líder de nitreto de silício, enquanto na banda de luz visível, o seu desempenho alcançou um salto qualitativo, com a perda reduzida a um vigésimo do recorde de nitreto de silício. Esta propriedade de perda ultrabaixa tem um impacto profundo no desempenho do dispositivo, por exemplo, os lasers construídos com esta tecnologia têm tempos de coerência óptica que são mais de 100 vezes maiores do que as versões existentes. Hao-Jing Chen, o primeiro autor do artigo de pesquisa e pós-doutorado na Caltech, apontou que a expansão da cobertura de comprimento de onda desta plataforma apoiará muitas operações atômicas importantes, tornando possível implementar sensores atômicos em escala de chip, relógios ópticos e sistemas de armadilha de íons.

Embora o tamanho desses chips seja de apenas cerca de 2 centímetros, seu design de caminho óptico interno adota uma estrutura em espiral, que amplia bastante a distância de propagação da luz em um espaço pequeno. O estudante de pós-graduação Kellan Colburn explicou que para componentes ópticos importantes, como ressonadores de anel, quanto maior a distância que a luz circula neles, menores serão as perdas e melhor será o desempenho do dispositivo. Cada redução de 10 vezes na perda leva a uma melhoria de 100 vezes na coerência. Esta tecnologia não é apenas tão versátil como um "canivete suíço" e pode ser amplamente utilizada em campos que vão desde cronometragem de alta precisão, medição de rotação (giroscópio) até computação quântica e detecção, mas também é de grande importância na redução do consumo geral de energia da infraestrutura de servidores de data centers. Embora a equipa de investigação tenha afirmado que os resultados actuais ainda não atingiram o objectivo final, o progresso significativo nos últimos cinco anos traçou um plano claro para futuras aplicações da tecnologia fotónica.