Fotónové čipy s kvantovými lasermi sa konečne vyrábajú bez nutnosti prepracovať celý systém. Tieto lasery fungujú priamo na kremíku a stále prežívajú vysoké teploty viac ako šesť rokov. Výskumníci z Kalifornskej univerzity vyplnili medzeru v laserových technológiách polymérmi a dosiahli presné ovládanie lúča priamo na čipe.
Nová výrobná metóda by mohla zlacniť a zefektívniť fotónové obvody priamou integráciou laserov s kvantovými bodkami (QD) na kremíkové čipy, čo by mohlo ovplyvniť, ako sa budú konštruovať inteligentné domáce zariadenia, fitness trackery a dokonca aj notebooky.
Výskumný tím vedený Rosalyn Koscicovou na Kalifornskej univerzite to dosiahol kombináciou troch kľúčových stratégií. Použili laserovú konfiguráciu s vreckom pre priamu integráciu, nasledovali dvojstupňovú metódu rastu zahŕňajúcu metalorganické chemické nanášanie pár a epitaxiu molekulárnym zväzkom a zaviedli techniku vyplnenia medzery polymérom, aby sa znížilo šírenie optického lúča.
Prekonanie medzery vďaka starostlivému inžinierstvu
Tento vývoj rieši dlhodobé výzvy týkajúce sa materiálových nekompatibilít a neefektívnosti spájania, ktoré historicky obmedzovali výkon a škálovateľnosť integrovaných fotónových systémov.
Kombinované úsilie minimalizovalo počiatočnú medzeru rozhrania a umožnilo laserom spoľahlivo fungovať na kremíkových fotónových čipoch.
Ako poznamenali výskumníci: „Aplikácie fotónových integrovaných obvodov (PIC) si vyžadujú svetelné zdroje na čipe s malým pôdorysom zariadenia, aby umožnili hustejšiu integráciu komponentov.“
Nový prístup umožňuje stabilné jednofrekvenčné laserovanie na frekvencii O-pásma, ktorá je vhodná pre dátovú komunikáciu v dátových centrách a systémoch cloudového úložiska.
Integráciou laserov priamo s kruhovými rezonátormi vyrobenými z kremíka alebo pomocou distribuovaných Braggových reflektorov z nitridu kremíka tím tiež vyriešil problémy súvisiace s vyrovnaním a optickou spätnou väzbou.
Jedným z najprekvapivejších zistení výskumu je, ako dobre lasery fungujú pri teple.
„Naše integrované QD lasery preukázali laserovanie pri vysokej teplote až do 105 °C a životnosť 6,2 roka pri prevádzke pri teplote 35 °C,“ hovorí pani Koscicová.
Tieto výkonnostné metriky naznačujú úroveň teplotnej stability, ktorú bolo predtým ťažké dosiahnuť s monoliticky integrovanými návrhmi.
Táto tepelná odolnosť otvára dvere odolnejším aplikáciám v prostrediach reálneho sveta, kde teplotné výkyvy môžu obmedziť spoľahlivosť fotónových komponentov.
Môže tiež znížiť potrebu aktívneho chladenia, ktoré tradične pridávalo náklady a zložitosť predchádzajúcim návrhom.
Okrem výkonu sa metóda integrácie zdá byť vhodná pre rozsiahlu výrobu.
Pretože techniku je možné vykonať v štandardných polovodičových zlievarňach a nevyžaduje si zásadné zmeny v základnej architektúre čipu, je vyhľadávaná pre širšie prijatie.
Výskumníci tvrdia, že metóda je „nákladovo efektívna“ a „môže fungovať pre celý rad návrhov fotónových integrovaných čipov bez potreby rozsiahlych alebo zložitých úprav.“
To znamená, že prístup bude pravdepodobne čeliť kontrole týkajúcej sa konzistencie na veľkých plátoch a kompatibility s komerčnými fotónovými systémami.
Úspech v kontrolovaných laboratórnych prostrediach tiež nezaručuje bezproblémové nasadenie v hromadnej výrobe.
Napriek tomu kombinácia kompaktného dizajnu laseru, kompatibility s konvenčnými procesmi a integrácie funkčnosti O-pásma robí tento vývoj pozoruhodným.
Od dátových centier až po pokročilé senzory, táto kremíková kompatibilná laserová integrácia by mohla priblížiť fotónové obvody životaschopnosti na masovom trhu.
