Eletrônica

Nasce um laser compatível com processadores de computador

Laser compatível com processadores de computador
Esquema do laser de germânio-estanho (GeSn), aplicado diretamente sobre uma pastilha de silício (azul) usando uma camada intermediária de germânio puro (laranja).[Imagem: Forschungszentrum Juelich]

Laser semicondutor

Físicos alemães construíram o primeiro laser semicondutor feito exclusivamente com elementos do grupo IV da Tabela Periódica, o que o torna totalmente compatível com o silício.

Como consequência, esse novo laser de germânio-estanho (GeSn) pode ser aplicado diretamente sobre um chip de silício, viabilizando a transmissão de dados por luz também no interior dos processadores: esta transferência é mais rápida e requer apenas uma fração da energia consumida pelos processadores atuais.

"A transmissão de sinais através de fios de cobre limita o desenvolvimento de computadores maiores e mais rápidos devido à carga térmica e à largura de banda limitada dos fios de cobre. Só o sinal de clock que sincroniza os circuitos utiliza até 30% da energia - energia que pode ser economizada com a transmissão óptica," explica o Prof. Detlev Gruetzmacher, do Centro de Pesquisas Juelich.

Semicondutores do grupo IV

A base para a fabricação de processadores e demais circuitos integrados é o silício, um elemento do grupo IV da Tabela Periódica. Mas os lasers semicondutores, usados em sistemas de telecomunicações por fibras ópticas, são feitos com elementos dos grupos III ou V - o que também os torna particularmente caros.

A classificação em um ou outro grupo significa que há diferenças drásticas entre as propriedades do cristal de cada semicondutor.

Como materiais de diferentes grupos não se "encaixam" naturalmente, os lasers precisam ser fabricados externamente e depois colados à pastilha de silício. Funciona - ao menos em escala experimental -, mas o tempo de vida desse tipo de componente é muito reduzido porque os coeficientes de expansão térmica dos diferentes elementos são significativamente diferentes.

Enquanto a luz emitida diretamente pelo silício não se torna prática, a saída era tentar fabricar lasers com outros elementos do grupo IV.

A grande dificuldade é que nenhum deles é muito eficiente como emissor de luz - eles são classificados entre os semicondutores indiretos, emitindo mais calor do que luz.

Germânio e estanho

Agora, Stephan Wirths e seus colegas conseguiram descobrir uma mistura cuidadosamente dosada de germânio e estanho para criar um "laser direto real" a partir do grupo IV de semicondutores.

"O elevado teor de estanho é decisivo para as propriedades ópticas. Pela primeira vez, nós conseguimos introduzir mais de 10% de estanho na rede cristalina [do germânio] sem que ele perca a sua qualidade óptica," explicou Wirths.

Contudo, como geralmente acontece nos feitos do tipo "primeira vez", nem tudo está pronto para uso prático: a coisa toda funcionou com grande eficiência a -183º C, o que está longe do ideal para aplicações práticas em computadores do dia a dia.

Mas a equipe ressalta que só trabalhou em um sistema de teste e ainda não tentou otimizar seu "laser IV" para que ele funcione em temperaturas mais elevadas, o que ele farão a seguir.

Bibliografia:

Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si
S. Wirths, R. Geiger, N. von den Driesch, G. Mussler, T. Stoica, S. Mantl, Z. Ikonic, M. Luysberg, S. Chiussi, J. M. Hartmann, H. Sigg, J. Faist, D. Buca, D. Grützmacher
Nature Photonics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphoton.2014.321




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