Fotonische chips met kwantumlasers worden eindelijk gebouwd zonder het hele systeem opnieuw te ontwerpen
Deze lasers werken rechtstreeks op silicium en overleven nog steeds ruim zes jaar hoge temperaturen
Onderzoekers van de Universiteit van Californië hebben de laserkloof opgevuld met polymeren en hebben nauwkeurige straalcontrole op-chip genageld
Een nieuwe fabricagemethode zou fotonische circuits goedkoper en praktischer kunnen maken door quantum dot (QD) lasers rechtstreeks te integreren op siliciumchips, een proces dat van invloed zou kunnen zijn op de manier waarop toekomstige smart home-apparaten, fitnesstrackers en zelfs laptops worden ontworpen.
Het onderzoeksteam, geleid door Rosalyn Koscica van de Universiteit van Californië, bereikte dit door drie sleutelstrategieën te combineren.
Ze gebruikten een pocketlaserconfiguratie voor directe integratie, volgden een twee-groeimethode met metaalorganische chemische dampafzetting en moleculaire bundelepitaxie, en introduceerden een polymeerspleetvultechniek- om de optische bundelspreiding te verminderen.
De kloof dichten met zorgvuldige engineering
Deze ontwikkeling richt zich op al lang bestaande uitdagingen met betrekking tot materiële incompatibiliteit en koppelingsinefficiënties die historisch gezien de prestaties en schaalbaarheid van geïntegreerde fotonische systemen hebben beperkt.
De gecombineerde inspanningen minimaliseerden de initiële grensvlakkloof en maakten het mogelijk dat lasers betrouwbaar konden functioneren op silicium fotonische chiplets.
Zoals de onderzoekers opmerken: "Toepassingen voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC) vereisen on-chip-lichtbronnen met een klein apparaatoppervlak om een dichtere componentintegratie mogelijk te maken."
De nieuwe aanpak maakt stabiele single{0}}lasing op de O--bandfrequentie mogelijk, wat zeer geschikt is- voor datacommunicatie in datacenters en cloudopslagsystemen.
Door de lasers rechtstreeks te integreren met ringresonatoren van silicium of door gedistribueerde Bragg-reflectoren van siliciumnitride te gebruiken, heeft het team ook problemen aangepakt die verband houden met uitlijning en optische feedback.
Een van de meer verrassende bevindingen uit het onderzoek is hoe goed de lasers presteren onder hitte.
"Onze geïntegreerde QD-lasers vertoonden een laserwerking bij hoge temperaturen tot 105 graden en een levensduur van 6,2 jaar bij werking bij een temperatuur van 35 graden", zegt mevrouw Koscica.
Deze prestatiegegevens suggereren een niveau van thermische stabiliteit dat voorheen moeilijk te bereiken was met monolithisch geïntegreerde ontwerpen.
Deze thermische veerkracht opent de deur naar duurzamere toepassingen in reële- omgevingen, waar temperatuurschommelingen de betrouwbaarheid van fotonische componenten kunnen beperken.
Het kan ook de behoefte aan actieve koeling verminderen, wat traditioneel de kosten en complexiteit aan eerdere ontwerpen heeft toegevoegd.
Naast de prestaties lijkt de integratiemethode zeer geschikt voor productie op grote- schaal.
Omdat de techniek kan worden uitgevoerd in standaard halfgeleidergieterijen en geen grote veranderingen aan de onderliggende chiparchitectuur vereist, is deze veelbelovend voor bredere toepassing.
De onderzoekers beweren dat de methode "kosten-effectief" is en "kan werken voor een reeks fotonisch geïntegreerde chipontwerpen zonder dat uitgebreide of complexe aanpassingen nodig zijn."
Dat gezegd hebbende, zal de aanpak waarschijnlijk kritisch worden onderzocht met betrekking tot de consistentie tussen grote wafers en de compatibiliteit met commerciële fotonische systemen.
Bovendien garandeert succes in gecontroleerde laboratoriumomgevingen geen naadloze implementatie in massaproductieomgevingen.
Toch maakt de combinatie van een compact laserontwerp, compatibiliteit met conventionele processen en integratie van O--bandfunctionaliteit deze ontwikkeling opmerkelijk.
Van datacentra tot geavanceerde sensoren: deze silicium{0}}compatibele laserintegratie zou fotonische circuits dichter bij de massamarkt- kunnen brengen.
