Fotoniska chip med kvantlasrar byggs äntligen utan att göra om hela systemet
Dessa lasrar arbetar direkt på kisel och överlever fortfarande hög värme i över sex år
Forskare från University of California fyllde lasergapet med polymerer och spikade precisionsstrålestyrning på-chip
En ny tillverkningsmetod kan göra fotoniska kretsar billigare och mer praktiska genom att direkt integrera kvantpunktslasrar (QD) på kiselchips, en process som kan påverka hur framtida smarta hemenheter, träningsspårare och till och med bärbara datorer konstrueras.
Forskargruppen, ledd av Rosalyn Koscica vid University of California, uppnådde detta genom att kombinera tre nyckelstrategier.
De använde en ficklaserkonfiguration för direkt integrering, följde en två-tillväxtmetod som involverade metallorganisk kemisk ångavsättning och molekylär strålepitaxi, och introducerade en polymergap-fyllningsteknik för att minska optisk strålspridning.
Täta gapet med noggrann ingenjörskonst
Denna utveckling tar itu med långvariga utmaningar som involverar materialinkompatibilitet och kopplingsineffektivitet som historiskt sett har begränsat prestanda och skalbarhet hos integrerade fotoniska system.
De kombinerade ansträngningarna minimerade det initiala gränssnittsgapet och gjorde det möjligt för lasrar att fungera tillförlitligt på fotoniska kiselchiplets.
Som forskarna noterar, "Photonic Integrerade kretsar (PIC)-applikationer kräver ljuskällor på-chips med ett litet enhetsfotavtryck för att möjliggöra tätare komponentintegrering."
Det nya tillvägagångssättet möjliggör stabil enkel-lägeslasning vid O-bandsfrekvensen, som är väl-lämpad för datakommunikation i datacenter och molnlagringssystem.
Genom att integrera lasrarna direkt med ringresonatorer gjorda av kisel eller använda distribuerade Bragg-reflektorer från kiselnitrid, har teamet också tagit itu med problem relaterade till inriktning och optisk återkoppling.
En av de mer överraskande resultaten från forskningen är hur väl lasrarna presterar under värme.
"Våra integrerade QD-lasrar visade en hög temperatur på upp till 105 grader och en livslängd på 6,2 år medan de arbetade vid en temperatur på 35 grader", säger Ms. Koscica.
Dessa prestandamått antyder en nivå av termisk stabilitet som tidigare var svår att uppnå med monolitiskt integrerade konstruktioner.
Denna termiska motståndskraft öppnar dörren till mer hållbara applikationer i verkliga-miljöer, där temperaturfluktuationer kan begränsa tillförlitligheten hos fotoniska komponenter.
Det kan också minska behovet av aktiv kylning, vilket traditionellt har lagt till kostnad och komplexitet till tidigare konstruktioner.
Utöver prestanda verkar integrationsmetoden väl lämpad för stor-tillverkning.
Eftersom tekniken kan utföras i standardhalvledargjuterier och inte kräver större förändringar av den underliggande chiparkitekturen, lovar den en bredare användning.
Forskarna hävdar att metoden är "kostnads-effektiv" och "kan fungera för en rad fotoniska integrerade chipdesigner utan att behöva omfattande eller komplexa modifieringar."
Som sagt, tillvägagångssättet kommer sannolikt att bli föremål för granskning när det gäller konsekvens över stora wafers och kompatibilitet med kommersiella fotoniska system.
Framgång i kontrollerade labbmiljöer garanterar inte heller sömlös implementering i masstillverkningsmiljöer.
Ändå gör kombinationen av en kompakt laserdesign, kompatibilitet med konventionella processer och integrering av O-bandsfunktioner denna utveckling anmärkningsvärd.
Från datacenter till avancerade sensorer, denna kisel-kompatibla laserintegrering kan föra fotonikkretsar närmare mass-marknadens livskraft.
