Por primera vez, un equipo de investigadores ha integrado láseres hechos con materiales de altas prestaciones directamente sobre silicio. Reunir componentes eléctricos y ópticos en chips de ordenador aumentaría mucho la velocidad de transferencia de datos dentro y entre ordenadores, pero la incompatibilidad de los mejores materiales de láser con el silicio utilizado actualmente para fabricar chips ha sido un obstáculo importante.

Haciendo crecer nanoláseres hechos de los llamados semiconductores exóticos sobre silicio, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley ha superado este obstáculo. Si se siguen desarrollando, los láseres de Berkeley podrían proporcionar nuevas maneras de transferir más datos con mayor rapidez, acelerando la computación dentro de los superordenadores y permitiendo descargar archivos de gran tamaño mucho más rápidamente.

"Entrar y sacar datos de un ordenador portátil se está convirtiendo en un cuello de botella", afirma Mario Paniccia, director del Laboratorio de Tecnología Fotónica de Intel. Resulta difícil enviar datos a través del cableado de cobre actual a tasas superiores a 10 gigabits por segundo. Esto retarda la transferencia de datos entre los componentes de un ordenador, tales como la CPU y la memoria, e impone limitaciones en el diseño. Los diseñadores se ven obligados a colocar los componentes tan cerca como sea posible para que los datos no tengan que viajar demasiado lejos, lo que genera calor y ralentiza el sistema.

Los datos codificados en impulsos de luz pueden viajar más rápido y con menos pérdidas. Sin embargo, la única manera de conseguir integrar componentes ópticos en los chips actuales es utilizando materiales y métodos de fabricación compatibles con los sistemas de silicio utilizados en las fábricas actuales. "El futuro de la fotónica se basa en el silicio", afirma John Bowers, presidente Kavli de nanotecnología de la Universidad de California en Santa Bárbara. El problema es que el silicio es en sí mismo un mal material láser, puesto que desperdician una gran cantidad de energía y genera poca luz.

Los láseres más eficaces están hechas de un grupo de materiales llamados semiconductores "III-V", cuyo nombre numérico proviene de las columnas de la tabla periódica, donde se encuentran los elementos utilizados para hacerlos. Como el silicio, estos materiales son cristalinos. Sin embargo, las redes cristalinas de silicio y de estos materiales no se alinean unas con otras porque los átomos son de diferentes tamaños. Cuando los investigadores hacen crecer materiales III-V sobre silicio, el cristal III-V se encuentra bajo estrés para mantenerse alineado con el cristal de silicio, lo que lleva a la creación de defectos que degradan su rendimiento.

Connie Chang-Hasnain, profesora de ingeniería eléctrica e ingeniería informática en Berkeley, ha superado esta incompatibilidad entre los materiales de silicio y el láser mediante el aprovechamiento de las propiedades de las nanoestructuras y con un control riguroso del proceso de crecimiento. Los investigadores de Berkeley empiezan colocando un sustrato de silicio dentro de una cámara química de crecimiento, hacen subir la temperatura hasta 400 °C, y dejan fluir unos gases que contienen indio, galio y arseniuro. Chang-Hasnain ha descubierto que controlando las concentraciones de los gases y su caudal, es posible dirigir el crecimiento de estos materiales III-V para que éste empiece en un pequeño punto llamado "semilla". Cuando la nanocolumna de indio-galio “brota” de la semilla, se forma un cristal sin defectos. La semilla parece proteger al resto de la estructura de la influencia del silicio subyacente. Seguidamente, los investigadores hacen fluir un segundo conjunto de dos gases para formar una capa de arseniuro de galio alrededor de la columna.

Cuando la nanocolumna recibe la luz de otro láser, la luz se mueve en su interior haciendo una espiral, como si subiera y bajara una escalera de caracol. La diferencia de materiales entre el núcleo y el recubrimiento facilita este efecto, capturando los fotones en la espiral hasta que alcanzan un umbral de energía lo suficientemente alto y se emiten. Este efecto de espiral es algo que no se ha visto anteriormente en otros tipos de láseres. Estos resultados se describen en la revista Nature Photonics. El siguiente paso es demostrar que el láser se puede alimentar con energía eléctrica, un aspecto clave para crear un láser compacto útil. Chang-Hasnain confía en que los investigadores de Berkeley desarrollarán un láser de alimentación eléctrica. En otra publicación en la revista Nano Letters su grupo demostró la creación de diodos de semiconductores exóticos sobre silicio, que actualmente están adaptando para alimentar los nanoláseres.

Otro aspecto clave para los láseres sobre chips de silicio es que no hagan aumentar demasiado la temperatura. Chang-Hasnain, indica que su proceso podría ser utilizado para hacer crecer láseres de alta calidad en chips de silicio grabados con transistores y componentes ópticos ya acabados, dándoles la capacidad de codificar datos en pulsos de luz. La deposición de cristales semiconductores III-V de alta calidad generalmente requiere temperaturas más altas—en vez de a 400 °C, estos materiales normalmente se hacen crecer a 700 °C, una temperatura que podría destruir un microprocesador. Chang-Hasnain explica que es la nanoestructura de los láseres la que hace esto posible: las nanoestructuras de alta calidad en general pueden ser cultivadas a temperaturas más bajas que las grandes estructuras de los mismos materiales.

"Se han realizado muchos avances en componentes ópticos de silicio", afirma Paniccia de Intel. Sin embargo, los láseres compatibles con chips de silicio se habían quedado atrás. Los investigadores han creado diversos componentes ópticos a partir de materiales de silicio y de procesos ya existentes en las líneas de fabricación de chips. Sin embargo, les faltaba añadir los láseres. Intel, IBM y otras empresas han estado desarrollando soluciones para eso.

Chang-Hasnain reconoce que el grupo aún tiene muchas más cosas por demostrar, desde la alimentación de los láseres con electricidad hasta que éstos proporcionan suficiente luz de las longitudes de onda adecuadas y que se pueden acoplar a otros componentes ópticos. Sin embargo, Paniccia de Intel afirma que la demostración de que estos materiales láser se pueden hacer compatibles con el silicio es "un gran paso."

Katherine Bourzac es la editora de ciencia de los materiales de Technology Review.