Fotoniske brikker med kvantelasere bygges endelig uten å redesigne hele systemet
Disse laserne fungerer direkte på silisium og overlever fortsatt høy varme i over seks år
University of California-forskere fylte lasergapet med polymerer og spikret presisjonsstrålekontroll på-brikken
En ny fabrikasjonsmetode kan gjøre fotoniske kretser billigere og mer praktiske ved å integrere kvantepunktlasere (QD) direkte på silisiumbrikker, en prosess som kan påvirke hvordan fremtidige smarthusenheter, treningssporere og til og med bærbare datamaskiner er konstruert.
Forskerteamet, ledet av Rosalyn Koscica ved University of California, oppnådde dette ved å kombinere tre nøkkelstrategier.
De brukte en lommelaserkonfigurasjon for direkte integrasjon, fulgte en totrinns vekstmetode som involverte metallorganisk kjemisk dampavsetning og molekylær stråleepitaksi, og introduserte en polymer gap-fyllingsteknikk for å redusere optisk strålespredning.
Lukk gapet med nøye prosjektering
Denne utviklingen adresserer langvarige utfordringer som involverer materiell inkompatibilitet og koblingsineffektivitet som historisk sett har begrenset ytelsen og skalerbarheten til integrerte fotoniske systemer.
Den kombinerte innsatsen minimerte det innledende grensesnittgapet og gjorde det mulig for lasere å fungere pålitelig på fotoniske silisiumchiplets.
Som forskerne bemerker, "Photonic integrerte kretser (PIC)-applikasjoner krever på-brikke lyskilder med et lite enhetsfotavtrykk for å tillate tettere komponentintegrasjon."
Den nye tilnærmingen muliggjør stabil enkelt-moduslasing ved O-båndfrekvensen, som er godt-egnet for datakommunikasjon i datasentre og skylagringssystemer.
Ved å integrere laserne direkte med ringresonatorer laget av silisium eller bruke distribuerte Bragg-reflektorer fra silisiumnitrid, har teamet også tatt opp problemer knyttet til justering og optisk tilbakemelding.
Et av de mer overraskende funnene fra forskningen er hvor godt laserne yter under varme.
"Våre integrerte QD-lasere demonstrerte en høy temperatur på opptil 105 grader og en levetid på 6,2 år mens de ble brukt ved en temperatur på 35 grader," sier Koscica.
Disse ytelsesmålene antyder et nivå av termisk stabilitet som tidligere var vanskelig å oppnå med monolittisk integrerte design.
Denne termiske motstandskraften åpner døren til mer holdbare applikasjoner i virkelige-miljøer, der temperatursvingninger kan begrense påliteligheten til fotoniske komponenter.
Det kan også redusere behovet for aktiv kjøling, som tradisjonelt har lagt til kostnader og kompleksitet til tidligere design.
Utover ytelsen ser integrasjonsmetoden ut til å være godt egnet for stor-skalaproduksjon.
Fordi teknikken kan utføres i standard halvlederstøperier og ikke krever store endringer i den underliggende brikkearkitekturen, lover den bredere bruk.
Forskerne argumenterer for at metoden er "kostnads-effektiv" og "kan fungere for en rekke fotoniske integrerte brikkedesign uten behov for omfattende eller komplekse modifikasjoner."
Når det er sagt, vil tilnærmingen sannsynligvis stå overfor gransking angående konsistens på tvers av store wafere og kompatibilitet med kommersielle fotoniske systemer.
Suksess i kontrollerte laboratoriemiljøer garanterer heller ikke sømløs distribusjon i masseproduksjonsmiljøer.
Likevel gjør kombinasjonen av en kompakt laserdesign, kompatibilitet med konvensjonelle prosesser og integrering av O-bandfunksjonalitet denne utviklingen bemerkelsesverdig.
Fra datasentre til avanserte sensorer, denne silisium-kompatible laserintegrasjonen kan bringe fotoniske kretser nærmere masse-markedets levedyktighet.
