Purdue University: un transistor interamente ottico capace di operare a 4THz

Un team di ricercatori della Purdue University è stato capace dare dimostrazione di un transistor interamente ottico ma compatibile CMOS in grado di funzionare ad una velocità di switching nell'ordine dei THz, ovvero un migliaio di volte superiore a quanto possibile con gli odierni transistor in silicio.

I ricercatori della Purdue University parlano della possibilità di realizzare transistor nanofotonici, lavorati a basse temperature così da poterli fabbricare su chip CMOS, per incrementare i tempi di switching fino a 300 femtosecondi, o circa 4 terahertz. I ricercatori hanno usato un materiale costituito da ossido di zinco drogato con alluminio (AZO) per realizzare i transistor ottici, grazie alla sua permittività dielettrica regolabile che è compatibile con tutti gli standard di telecomunicazione infrarossa.

Nathaniel Kinsey, dottorando che sta lavorando al progetto accanto ai professori Alexandra Boltasseva e Vladimir Shalaev, ha spiegato: "Il tempo limite è di 300fs per velocità di 4THz sebbene si possa arrivare anche a maggior velocità se si sacrificano un po' di prestazioni. Ciò che è importante è che i transistor elettrici sono limitati dal ritardo RC, mentre il meccanismo limitante per tutti i nostri transistor ottici è il tempo di ricombinazione. Questi sono meccanismi completamente differenti e il secondo può consentire molta più libertà per raggiungere velocità di switching più elevate rispetto alla controparte elettrica".

Gli ossidi conduttivi trasparenti che costituiscono questi transistor fotonici sono materiali CMOS-compatibili con bassa perdita ottica che possono essere processati a temperature sufficientemente basse per la produzione BEOL (Back-end-of-line). Il loro comportamento simile ai metalli, versatile e regolabile, li rende ideali per la produzione di transistor ottici sopra chip CMOS. Nel passato però, la lenta ricombinazione elettrone-lacuna per l'emissione di fotoni superava i 100 picosecondi, limitando considerevolmente la velocità con cui i segnali potevano essere modulati.

I ricercatori sono riusciti a ridurre quel tempo a meno di 1 picosecondo - sufficientemente rapido da poter realizzare transistor ottici dalle prestazioni superiori a quelle del silicio. Le pellicole di ossido di zinco drogato all'alluminio sono state realizzate con difetti a livello profondo con una concentrazione di portatori di carica ultra-elevata permettendo di dimostrare livelli di modulazione della riflettanza al 40% e tempi di eccitazione e ricombinazione al di sotto di un picosecondo a meno di 4 milliJoule per metro quadro e con lunghezze d'onda di 1,3 micron.

Secondo i ricercatori il materiale AZO è in grado di giungere, con le più popolari lunghezze d'onda di telecomunicazione, a velocità di comunicazione sensibilmente superiori rispetto ad oggi. La tecnologia interamente ottica fa uso della luce sia per il flusso dati, sia per i segnali di controllo che modulano i dati, invece che usare segnali elettrici per controllare la modulazione, come avviene oggi. Le pellicole di AZO possono essere realizzate sia per accrescere sia per diminure l'indice di riflessione per codificare gli 1 e gli 0 nella trasmissione dati. Il prossimo passo è la realizzazione di un dispositivo operativo in un'applicazione semplice.

Dal momento che l'indice rifrattivo delle pellicole AZO è prossimo allo zero, i ricercatori stanno cercando modi per usare i metamateriali (il cui indice è inferiore a zero) impiegando nuvole di elettroni (plasmoni di superficie) per aiutare a indirizzare la luce nel chip ottico. I laser a impulsi cambiano l'indice di rifrazione dell'AZO, che potrebbe di contro piegare la luce in particolari direzioni una volta che vi passa attraverso. Anche la quantità di alluminio che droga l'ossido di zinco cambia le proprietà conduttive dell'AZO da un isolante ad alcune lunghezze d'onda ad un conduttore ad altre lunghezze, rendendo quindi possibile regolare le sue caratteristiche.

"Per adesso i nostri piani sono di guardare in direzione dei dispositivi di switching. Vorremmo sviluppare un circuito interamente ottico dove possiamo prendere la luce al di fuori dal chip e portarla sul chip in maniera efficiente dove possa essere modulata per trasportare informazione. Questo include una guida d'onda plasmonica e il nostro transistor ottico. Potremmo potenzialmente mettere in cascata una serie di questi dispositivi e operare con varie lunghezze d'onda in input per ottenere una larghezza di banda ancor più ampia di quanto fatto oggi con la fibra ottica. Lo sviluppo di un dispositivo di questo tipo ci permetterà di esplorare come i dispositivi operano ad alte velocità e gli stress associati con ciò, così come vedere realmente i limiti dei nostri materiali" ha commentato Kinsey.