Nanolaser sólido ajudará internet a economizar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/05/2011

Em cima, diagrama mostrando o fluxo de corrente na cavidade (setas azuis) e a fuga de corrente através dos espelhos do cristal fotônico (setas amarelas). Embaixo, o mapa da fuga de corrente dentro do dispositivo.[Imagem: Ellis et al./Nature Photonics]

Em 2005, duas pesquisadoras criaram um novo tipo de laser para telecomunicações mais rápido e mais eficiente.

Mas o que era rápido e eficiente para os padrões de seis anos atrás não vale mais para hoje - os lasers são essenciais na transmissão dos dados digitais que estão na base do funcionamento de toda a internet.

Felizmente, a Dra. Jelena Vuckovic não abandonou a área, e acaba de apresentar um upgrade significativo para o seu nanolaser.

Laser de cristal fotônico

Jelena e sua equipe trabalham com um tipo de laser chamado laser de cristal fotônico, um laser particularmente promissor não apenas pela sua alta velocidade e dimensões minúsculas, mas principalmente porque ele opera em limites de emissão que não consomem muita energia.

"Nós fabricamos um transmissor óptico de dados em nanoescala, um laser que usa 1.000 vezes menos energia e é 10 vezes mais rápido do que as melhores tecnologias comercialmente disponíveis hoje," diz ela.

"Melhor ainda, nós acreditamos que podemos melhorar esses números," acrescenta.

Laser com bombeamento elétrico

Já existem lasers com baixos limites de emissão, mas eles exigem um segundo laser para injetar a energia que precisam - um fenômeno conhecido como bombeamento.

"Nós realmente precisamos de um laser bombeado com eletricidade, não com luz," diz Jelena. Estes também já foram feitos, mas são ineficientes e não conseguiram atingir a escala comercial.

Agora, pela primeira vez, os pesquisadores criaram um laser com bombeamento elétrico que é fácil de fabricar e de fato consome muito pouca energia.

Nanolaser

O nanolaser é formado por um sanduíche de camadas de dois materiais semicondutores - arseneto de gálio e arseneto de índio - cada uma delas construída por um "canhão" que lança um spray preciso de moléculas.

O sanduíche mede meros 220 nanômetros de espessura - seria preciso empilhar 1.000 deles para atingir a espessura de uma folha de papel.

Depois de pronta, se a pastilha for seccionada, pode-ser ver que o arseneto de índio forma pequenos "montes" - uma estrutura conhecida como pontos quânticos.

Depois de doparem duas regiões específicas com íons de silício e de berílio, para criar o emissor e o receptor do laser, os pesquisadores perfuram a pastilha, criando uma malha cuidadosamente espaçada de furos.

Se os furos forem muito grandes ou pequenos demais, ou se não ficarem no espaçamento correto, o laser não funciona. Isso porque os furos funcionam como uma sala de espelhos, onde a luz ricocheteia de volta para o centro do laser.

Luz no horizonte

Nesta sala de espelhos do nanolaser, os fótons são concentrados e amplificados até formarem o feixe de laser, que pode ser modulado até 100 bilhões de vezes por segundo - 10 vezes mais do que os melhores transmissores ópticos usados hoje.

É essa combinação de "emissão" e "não-emissão" que forma os dados binários - luz ligada representa um 1 e luz desligada representa um 0.

Mas nem tudo está pronto: o nanolaser opera apenas a 150 Kelvin, frio demais para uso prático.

"Com melhorias no processamento," garante Jelena, "nós poderemos construir um laser que opere a temperatura ambiente e mantenha a eficiência energética em torno de 1.000 vezes menos do que as tecnologias atuais. Nós podemos ver a luz no horizonte."

Bibliografia:

Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser
Bryan Ellis, Marie A. Mayer, Gary Shambat, Tomas Sarmiento, James Harris, Eugene E. Haller, Jelena Vuckovic
Nature Photonics
Vol.: 5, pages: 297-300 (2011)
DOI: 10.1038/nphoton.2011.51