Laser de Silício: II – Fotônica

Fechamos a última coluna indagando as possíveis razões pelas quais a Intel estaria interessada na fabricação de um laser de silício. E para descobrir isso teremos que fazer uma breve incursão nos terrenos da fotônica.

Fotônica é a comunicação de dados efetuada usando a tecnologia de emissão, transmissão, controle e detecção da luz seja através de fibras óticas, seja por meios optoeletrônicos.

A principal aplicação da fotônica é a comunicação por fibra ótica, ou seja, transmissão de dados a longa distância em alta taxa transportando pulsos de luz em fibra ótica. Seu custo é elevado devido às dificuldades de fabricação e aos materiais exóticos que emprega, como o Fosfeto de Índio (InP) e Arseneto de Gálio (AsGa), cuja manipulação é cara e cujos métodos de montagem e encapsulamento são delicados e complexos.

Não obstante, a fotônica apresenta grandes vantagens. Algumas delas: possibilidade de alcançar taxas de transmissão muito mais elevadas que as atuais; capacidade de manter o desempenho em grandes distâncias de transmissão devido à baixíssima atenuação do sinal (o que implica uso de menores potências de transmissão); imunidade a interferências eletromagnéticas; possibilidade de usar o mesmo condutor para enviar diferentes correntes de dados (multiplexando os dados em diferentes comprimentos de onda, ou “cores”) e meios de transmissão mais esbeltos e leves.

Por outro lado, apresenta algumas desvantagens, como custos elevados e pequeno grau de integração com as demais tecnologias.

Hoje em dia a fotônica tem se mostrado uma solução excelente para conexões em alta taxa de transmissão a grandes distâncias (de 1m a 80 km). Mas para interconexões a curta distância, como ligações placa-a-placa ou chip-a-chip, ainda não pode competir com as conexões por condutores metálicos como o cobre.

A conexão via condutores de cobre apresenta, no entanto, alguns problemas. Além de ser sujeita à interferência eletromagnética e consumir mais energia, nela, à medida em que aumenta a freqüência de transmissão, aumenta igualmente a “atenuação” (perda da potência do sinal) nos condutores (o que, como vimos, ocorre em muito menor medida na transmissão fotônica).

Em suma: a transmissão de dados por meios óticos (fibra de vidro) permite fluxo de dados muito maior, porém é mais cara. Tem se mostrado viável para grandes volumes de dados transmitidos a grandes distâncias, mas na medida que a distância se reduz a transmissão via condutores elétricos ocupa seu lugar. No entanto, seria altamente desejável usar a fotônica para pequenas distâncias, muito especialmente se esta integração for feita usando-se o silício como meio de transmissão do sinal ótico, o que permitiria estender a tecnologia de fabricação de dispositivos de silício, que a indústria domina, para os domínios da fotônica.

Ocorre que a transparência do silício é muito pequena para radiações dentro do espectro visível (luz perceptível pelo olho humano), porém é razoavelmente elevada para as radiações com comprimento de onda na faixa do infravermelho, usadas para transmissão ótica. Portanto, filetes de silício podem “guiar” a luz como a fibra ótica. Seu maior problema é que não se podia usá-lo para gerar raios laser, um passo fundamental para a integração com a fotônica. No entanto, caso se venha a conseguir usar o silício como matéria prima para desenvolver dispositivos fotônicos, tais dispositivos poderão ser fabricados usando técnicas padrão empregadas nas instalações industriais existentes, acelerando tremendamente sua utilização em escala industrial.

Como se vê, a idéia é “siliconizar” a fotônica, ou seja, permitir fabricar em grande escala e baixo custo componentes óticos de silício usando os processos padronizados de fabricação de componentes eletrônicos, como microprocessadores e dispositivos semicondutores. Quem conseguir isso aproveitará bilhões de dólares investidos pela indústria de semicondutores na infra-estrutura e capacitação de pessoal.

Mas para isso é indispensável a fabricação de lasers de silício.

O problema é que, como vimos na coluna anterior, raios lasers são gerados a partir de fótons emitidos por átomos de um material que recebe energia. Portanto, a maior ou menor eficiência de um material no que diz respeito a seu uso como meio de geração de raios laser depende diretamente de sua capacidade de emitir fótons.

A Figura 1 (adaptada de material de divulgação da Intel) mostra um gráfico que exibe esta capacidade de diversos materiais. No topo, estão o Fosfeto de Índio (InP) e Arseneto de Gálio (AsGa), os mais usados para esse fim devido à sua altíssima capacidade de emissão de fótons. Muito abaixo, um outro sal de índio e antimônio (InSb). E abaixo, muito mais abaixo, com capacidades quase desprezíveis, o germânio e o silício, justamente os materiais mais usados na eletrônica.

Mas a tecnologia moderna não costuma se curvar diante de obstáculos. Na próxima coluna veremos como os pesquisadores pretendem vencer mais este.