Laser al silicio

I microchip di silicio, i microprocessori delle dimensioni di una miniatura che costituiscono il cervello di un PC, si stanno dirigendo verso un disastro creato dal loro notevole successo. Man mano che i chip diventano più veloci, gli elettroni che trasportano i messaggi attraverso i minuscoli fili metallici all'interno del circuito integrato hanno difficoltà a tenere il passo.

Un punto in cui questo problema incombente è particolarmente acuto è negli orologi ultraveloci utilizzati per stimolare il calcolo. In parole povere, clock più veloci significano elaborazione più veloce; i microprocessori ora funzionano a frequenze di clock superiori a un gigahertz (un miliardo di impulsi al secondo) e stanno diventando sempre più veloci. Presto, afferma Lionel Kimerling, direttore del Microphotonics Center del MIT, gli elettroni che si muovono attraverso i fili metallici saranno semplicemente troppo lenti per tenere il passo. Supponiamo che da qualche parte nel futuro ci sia un orologio da 10 gigahertz. È impossibile distribuire quel tipo di segnale elettricamente, spiega. La soluzione, afferma Kimerling, sono minuscoli laser pulsati in grado di distribuire i segnali di clock attraverso il chip del processore. Intel pensa che tre gigahertz siano un grosso problema, dice Kimerling, e mancano circa due anni.

Questa storia faceva parte del nostro numero di giugno 2001

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Oltre una dozzina di gruppi di ricerca stanno correndo per sviluppare dispositivi ottici in miniatura in grado di essere integrati direttamente nel chip di silicio. Sarebbe una sorta di rete ottica per trasportare i dati attorno al microprocessore, aumentando le sue capacità nello stesso modo in cui le fibre ottiche hanno trasformato le telecomunicazioni. Ma c'è un problema: il silicio è un pessimo emettitore di luce.

La maledizione del silicio è che è, nel gergo dei fisici, un materiale indiretto. Altri materiali semiconduttori sono buoni emettitori di luce perché quando i loro elettroni vengono portati a un'energia più alta da una corrente, gli elettroni possono cadere di nuovo e sparare un fotone nel processo. Pompa rapidamente molti elettroni in uno stato energetico più elevato e puoi creare un laser. Così funziona, ad esempio, il laser a semiconduttore utilizzato in un lettore DVD. Ma le leggi della fisica dicono che gli elettroni nel silicio non possono tornare direttamente a uno stato inferiore. Di conseguenza, l'elettrone di solito cede la sua energia sotto forma di calore piuttosto che come luce.

Ci sono due strategie per superare il problema della luce del silicio. Alcuni ricercatori, inclusi i colleghi di Kimerling al Microphotonics Center del MIT, stanno sviluppando emettitori e rilevatori di luce realizzati con semiconduttori di silicio come l'arseniuro di gallio che possono essere innestati direttamente su chip di silicio. Altri gruppi hanno trovato il modo di far sì che il silicio stesso emetta la luce desiderata.

Nel 1996, Philippe Fauchet e i suoi colleghi dell'Università di Rochester hanno segnalato un diodo a emissione di luce in silicio. Il dispositivo aveva una caratteristica importante: una corrente elettrica piuttosto che un altro laser o sorgente luminosa poteva essere utilizzata per innescare l'emissione di luce. Ma, dice Fauchet, l'efficienza del dispositivo nell'emissione di luce è troppo bassa per interessare i produttori di chip. In questi dispositivi a emissione di luce, l'efficienza energetica è di circa lo 0,1 percento, spiega. Ma lo standard minimo accettabile nel settore è l'uno percento prima che parlino con te.

I poteri di emissione di luce del silicio hanno avuto una spinta lo scorso novembre quando Lorenzo Pavesi dell'Università di Trento in Italia ha scoperto che le nanoparticelle di silicio potrebbero amplificare la luce. Ciò che ha reso questo eccitante è che l'amplificazione è il primo passo verso la realizzazione di un laser al silicio. Con un laser, è un gioco completamente nuovo, dice Fauchet. Alcuni dei problemi di efficienza scompaiono. I nanocristalli, tuttavia, devono essere stimolati da un laser piuttosto che da una corrente elettrica.

Poi, a marzo, un gruppo guidato da Kevin Homewood dell'Università inglese del Surrey ha scoperto un altro modo per far risplendere il silicio da solo. Il nostro approccio utilizza una tecnologia al silicio assolutamente standard, afferma Homewood. Questi diodi emettitori di luce a base di silicio non sono ottimizzati per l'efficienza, riconosce Homewood, ma afferma che distano solo un fattore tre dai diodi emettitori di luce convenzionali. Il prossimo passo di Homewood è cercare di ottenere l'azione laser. Certamente non penso che la fisica sia contro di noi, dice.

Nonostante questi allettanti indizi di successo, Fauchet afferma che la ricerca sul silicio a emissione di luce deve affrontare alcune sfide difficili. Il problema con tutti questi dispositivi, compreso il nostro, è la bassa efficienza, dice. Come ricerca, è molto interessante, ma Intel non sta ancora saltando.

Tuttavia, il futuro della microfotonica al silicio è luminoso. Che si tratti di laser al silicio o emettitori di luce realizzati da qualche altro semiconduttore, Kimerling afferma che l'integrazione di dispositivi ottici nei chip di silicio è il prossimo grande passo nella fotonica. Per un'industria di chip multimiliardaria costruita attorno al silicio, il tempo stringe rapidamente verso un modo per fare quel passo.

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