El silicio se utiliza en toda la industria electrónica para hacer innumerables componentes y dispositivos. Este elemento químico abundante y barato también podría transformar la industria de la fotónica al mejorar y abaratar el equipamiento vital de la comunicación. Los ingenieros ya han creado cierta cantidad de dispositivos ópticos con silicio. El domingo, los investigadores de Intel anunciaron otro avance importante: un fotodetector basado en silicio que logra mayor velocidad y sensibilidad que otros dispositivos, incluso aquellos hechos de materiales caros y exóticos.

El silicio se utiliza en toda la industria electrónica para hacer innumerables componentes y dispositivos. Este elemento químico abundante y barato también estaría por transformar la industria de la fotónica al mejorar y abaratar el equipamiento vital de la comunicación. Los ingenieros ya han creado cierta cantidad de dispositivos ópticos con silicio. El domingo, los investigadores de Intel anunciaron otro avance importante: un fotodetector basado en silicio que logra mayor velocidad y sensibilidad que otros dispositivos, incluso aquellos hechos de materiales caros y exóticos.

Los detectores de luz se fabrican generalmente con semiconductores III-V, materiales compuestos por múltiples  elementos, tales como indio y fósforo. Aunque estos semiconductores tienen grandes propiedades ópticas, son más difíciles de fabricar en grandes cantidades, lo que los hace caros comparándolos con el silicio. En la lucha por hacer realidad la fotónica con silicio, y equipararla al rendimiento de los semiconductores III-V, los investigadores buscaron explotar el modo en que se comportan los electrones en el silicio. La investigación de Intel, detallada ayer en Nature Photonics, muestra que el silicio puede ser un detector que está por encima y va más allá de las expectativas.

Mario Paniccia, socio de Intel y director del laboratorio de tecnología fotónica de la empresa en Santa Clara, CA, dice: “Esta es la primera vez que un dispositivo fotónico de silicio demuestra mejor rendimiento que el registrado por materiales basados en III-V”.

Los detectores son componentes cruciales en la red óptica, recibiendo información transmitida por la luz mediante el cable de fibra óptica. Anteriormente, Intel había creado lásers híbridos de silicio y moduladores basados en silicio (que codifican datos en la luz), y detectores que utilizan el silicio como canal para guiar la luz.

El dispositivo nuevo de Intel está basado en un diseño preexistente: un fotodetector de avalancha. En este tipo de detector, la luz se recibe y se amplifica por el comportamiento de los electrones dentro del material que se utiliza. Los fotodetectores de avalancha se hallan dentro del equipamiento voluminoso de redes ópticas y actualmente cuestan de $ 200 a $ 300 por unidad. Si estos detectores pudieran fabricarse de silicio, Paniccia dice que costarían menos de $10. Esto se transformaría en un ancho de banda más amplio a menor precio y sería factible incorporar redes ópticas a los computadores en sí, reemplazando el cableado de cobre (lento) que conecta las placas y microchips mediante conectores ópticos súper rápidos.

Un fotodetector simple convierte a los fotones en electricidad. Esto es similar a una célula solar. Una vez que está dentro del detector, el fotón crea una cuasi-partícula compuesta por un electrón de carga negativa y un “hoyo” de carga positiva (la vacante de un electrón). Cuando se aplica voltaje al detector, el electrón y el hoyo se separan, produciendo una corriente eléctrica. Las características de esta corriente pueden descifrar información codificada en la luz.

Los fotodetectores de avalancha están basados en principios similares. La diferencia estriba en que una región especial del detector crea pares adicionales de hoyos de electrones, de modo que un fotón solitario que ingresa puede producir decenas o cientos de electrones, ampliando la señal eficazmente. Los fotodetectores de avalancha utilizan materiales III-V para la ampliación, pero los investigadores de Intel optaron, en cambio, por el silicio. El nuevo detector consiste en una región de absorción hecha de germanio y una “región de multiplicación” hecha de silicio. Anteriormente había sido difícil combinar estos dos materiales debido al espaciado de los átomos de cada material. Pero un método especial para asentar germanio creado por Intel ayudó a vencer este desafío. Paniccia comenta que : “el beneficio de hacerlo con silicio es que es un material más apto para la multiplicación debido a sus propiedades inherentes de escaso ruido y pureza cristalina”.

El rendimiento de un detector se mide por una característica llamada ganancia del ancho de banda, que mide su velocidad potencial y sensibilidad en GHz. Los detectores tradicionales operan con una ganancia del ancho de banda  de aproximadamente 120 GHz, pero el detector de Intel llega a los 340. Paniccia explica que esto significa que puede producir una respuesta eléctrica mayor, para una velocidad dada, que los detectores tradicionales. A la larga, a los ingenieros esto les proporciona la libertad de crear componentes de red que funcionen más rápido y más eficientemente.

Paniccia agrega: “Ahora tenemos la oportunidad de construir enlaces ópticos de alta velocidad en las redes y llevar comunicación óptica a bajo costo a nuestros PCs y a su entorno”.

El estudio de Intel es “un hecho muy importante” comenta Bahram Jalali, un profesor de ingeniería electrónica en la Universidad de California, Los Ángeles. Y dice: “Los fotodetectores de avalancha brindan la amplificación necesaria para detectar datos ópticos muy débiles. Normalmente, la desventaja es que el proceso de avalancha que lleva a la amplificación también agrega ruido a los datos”, una característica indeseada que debe limpiarse utilizando otros medios electrónicos. “Sin embargo, las propiedades materiales del silicio derivan en escaso ruido de avalancha”, añade.

Paniccia recalca que el detector nuevo no está listo todavía para aparecer en los productos. “Todavía tenemos trabajo por hacer respecto a la corriente oscura”, refiriéndose a una corriente suelta que drena el dispositivo, aún cuando no está absorbiendo fotones. Pero él dice que espera la aparición de fotodetectores de silicio a la venta en el próximo par de años. Para empezar, debe ser posible fabricar el dispositivo con el equipamiento que se utiliza para hacer otro tipo de elementos electrónicos con silicio. Paniccia expresa: “Este fue fabricado en nuestras fabricas de producción junto con otros productos. No hay nada fundamental aquí que no podamos comercializar en el futuro”.