Τα φωτονικά τσιπ με κβαντικά λέιζερ κατασκευάζονται επιτέλους χωρίς να επανασχεδιαστεί ολόκληρο το σύστημα
Αυτά τα λέιζερ λειτουργούν απευθείας στο πυρίτιο και εξακολουθούν να επιβιώνουν σε υψηλή θερμότητα για πάνω από έξι χρόνια
Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια γέμισαν το κενό λέιζερ με πολυμερή και κάρφωσαν έλεγχο δέσμης ακριβείας στο-τσιπ
Μια νέα μέθοδος κατασκευής θα μπορούσε να κάνει τα φωτονικά κυκλώματα φθηνότερα και πιο πρακτικά ενσωματώνοντας απευθείας λέιζερ κβαντικής κουκκίδας (QD) σε τσιπ πυριτίου, μια διαδικασία που θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο κατασκευής μελλοντικών έξυπνων οικιακών συσκευών, ιχνηλατών γυμναστικής, ακόμα και φορητών υπολογιστών.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τη Rosalyn Koscica στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το πέτυχε συνδυάζοντας τρεις βασικές στρατηγικές.
Χρησιμοποίησαν μια διαμόρφωση λέιζερ τσέπης για άμεση ενσωμάτωση, ακολούθησαν μια μέθοδο ανάπτυξης δύο-βημάτων που περιελάμβανε εναπόθεση μεταλλικών χημικών ατμών και μοριακή επιταξία δέσμης και εισήγαγαν μια τεχνική πλήρωσης κενού{1}}πολυμερούς για τη μείωση της εξάπλωσης της οπτικής δέσμης.
Κλείνοντας το χάσμα με προσεκτική μηχανική
Αυτή η εξέλιξη αντιμετωπίζει μακροχρόνιες προκλήσεις που περιλαμβάνουν ασυμβατότητες υλικών και αναποτελεσματικότητα σύζευξης που έχουν ιστορικά περιορίσει την απόδοση και την επεκτασιμότητα των ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων.
Οι συνδυασμένες προσπάθειες ελαχιστοποίησαν το αρχικό κενό διεπαφής και κατέστησαν δυνατή την αξιόπιστη λειτουργία των λέιζερ σε φωτονικά τσιπ σιλικόνης.
Όπως σημειώνουν οι ερευνητές, "Οι εφαρμογές Φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (PIC) απαιτούν πηγές φωτός σε -τσιπ με μικρό αποτύπωμα συσκευής για να επιτρέπεται η πυκνότερη ενσωμάτωση εξαρτημάτων."
Η νέα προσέγγιση επιτρέπει σταθερό λέιζινγκ μονής-λειτουργίας στη συχνότητα ζώνης Ο-, η οποία είναι κατάλληλη- για επικοινωνίες δεδομένων σε κέντρα δεδομένων και συστήματα αποθήκευσης cloud.
Ενσωματώνοντας τα λέιζερ απευθείας με αντηχεία δακτυλίου από πυρίτιο ή χρησιμοποιώντας κατανεμημένους ανακλαστήρες Bragg από νιτρίδιο πυριτίου, η ομάδα έχει επίσης αντιμετωπίσει ζητήματα που σχετίζονται με την ευθυγράμμιση και την οπτική ανάδραση.
Ένα από τα πιο εκπληκτικά ευρήματα από την έρευνα είναι το πόσο καλά αποδίδουν τα λέιζερ κάτω από τη θερμότητα.
«Τα ενσωματωμένα λέιζερ QD μας επέδειξαν υψηλή θερμοκρασία λέιζερ έως και 105 βαθμούς και διάρκεια ζωής 6,2 χρόνια ενώ λειτουργούσαν σε θερμοκρασία 35 βαθμών», λέει η κ. Koscica.
Αυτές οι μετρήσεις απόδοσης υποδηλώνουν ένα επίπεδο θερμικής σταθερότητας που ήταν δύσκολο να επιτευχθεί με μονολιθικά ενσωματωμένα σχέδια.
Αυτή η θερμική ανθεκτικότητα ανοίγει την πόρτα σε πιο ανθεκτικές εφαρμογές σε πραγματικό-κόσμο, όπου οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας μπορούν να περιορίσουν την αξιοπιστία των φωτονικών στοιχείων.
Μπορεί επίσης να μειώσει την ανάγκη για ενεργή ψύξη, η οποία παραδοσιακά προσθέτει κόστος και πολυπλοκότητα σε προηγούμενα σχέδια.
Πέρα από την απόδοση, η μέθοδος ενσωμάτωσης φαίνεται κατάλληλη για-κατασκευές μεγάλης κλίμακας.
Επειδή η τεχνική μπορεί να εκτελεστεί σε τυπικά χυτήρια ημιαγωγών και δεν απαιτεί σημαντικές αλλαγές στην υποκείμενη αρχιτεκτονική του τσιπ, υπόσχεται ευρύτερη υιοθέτηση.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η μέθοδος είναι "οικονομική-αποτελεσματική" και "μπορεί να λειτουργήσει για μια σειρά από φωτονικά ολοκληρωμένα σχέδια τσιπ χωρίς να χρειάζονται εκτεταμένες ή πολύπλοκες τροποποιήσεις".
Τούτου λεχθέντος, η προσέγγιση πιθανότατα θα αντιμετωπίσει ενδελεχή έλεγχο όσον αφορά τη συνοχή σε μεγάλα πλακίδια και τη συμβατότητα με εμπορικά φωτονικά συστήματα.
Επίσης, η επιτυχία σε ελεγχόμενα εργαστηριακά περιβάλλοντα δεν εγγυάται την απρόσκοπτη ανάπτυξη σε χώρους μαζικής παραγωγής.
Ωστόσο, ο συνδυασμός μιας συμπαγούς σχεδίασης λέιζερ, της συμβατότητας με τις συμβατικές διαδικασίες και της ενσωμάτωσης της λειτουργικότητας της ζώνης O- κάνει αυτή την εξέλιξη αξιοσημείωτη.
Από τα κέντρα δεδομένων έως τους προηγμένους αισθητήρες, αυτή η-συμβατή ολοκλήρωση λέιζερ με πυρίτιο θα μπορούσε να φέρει τα φωτονικά κυκλώματα πιο κοντά στη βιωσιμότητα της μαζικής-αγοράς.
