Finalmente se construyen chips fotónicos con láseres cuánticos sin rediseñar todo el sistema
Estos láseres funcionan directamente sobre silicio y aún sobreviven a altas temperaturas durante más de seis años.
Investigadores de la Universidad de California llenaron el vacío del láser con polímeros y lograron un control de haz de precisión en un -chip
Un nuevo método de fabricación podría hacer que los circuitos fotónicos sean más baratos y prácticos al integrar directamente láseres de puntos cuánticos (QD) en chips de silicio, un proceso que podría influir en cómo se diseñan los futuros dispositivos domésticos inteligentes, rastreadores de actividad física e incluso computadoras portátiles.
El equipo de investigación, dirigido por Rosalyn Koscica de la Universidad de California, lo logró combinando tres estrategias clave.
Utilizaron una configuración de láser de bolsillo para la integración directa, siguieron un método de crecimiento en dos-pasos que implicaba deposición química de vapor metalorgánico y epitaxia de haz molecular, e introdujeron una técnica de relleno de huecos-de polímero para reducir la dispersión del haz óptico.
Cerrando la brecha con una ingeniería cuidadosa
Este desarrollo aborda desafíos de larga data relacionados con incompatibilidades de materiales e ineficiencias de acoplamiento que históricamente han limitado el rendimiento y la escalabilidad de los sistemas fotónicos integrados.
Los esfuerzos combinados minimizaron la brecha inicial en la interfaz e hicieron posible que los láseres funcionaran de manera confiable en chips fotónicos de silicio.
Como señalan los investigadores, "las aplicaciones de circuitos integrados fotónicos (PIC) requieren fuentes de luz en-chip con un tamaño de dispositivo pequeño para permitir una integración de componentes más densa".
El nuevo enfoque permite láser monomodo-estable en la frecuencia de banda O-, que es muy-adecuada para comunicaciones de datos en centros de datos y sistemas de almacenamiento en la nube.
Al integrar los láseres directamente con resonadores de anillo hechos de silicio o utilizar reflectores Bragg distribuidos de nitruro de silicio, el equipo también abordó cuestiones relacionadas con la alineación y la retroalimentación óptica.
Uno de los hallazgos más sorprendentes de la investigación es el rendimiento de los láseres bajo calor.
"Nuestros láseres QD integrados demostraron una alta temperatura de hasta 105 grados y una vida útil de 6,2 años mientras funcionaban a una temperatura de 35 grados", dice la Sra. Koscica.
Estas métricas de rendimiento sugieren un nivel de estabilidad térmica que antes era difícil de lograr con diseños monolíticamente integrados.
Esta resiliencia térmica abre la puerta a aplicaciones más duraderas en entornos del mundo real-donde las fluctuaciones de temperatura pueden limitar la confiabilidad de los componentes fotónicos.
También puede reducir la necesidad de refrigeración activa, que tradicionalmente ha añadido costos y complejidad a los diseños anteriores.
Más allá del rendimiento, el método de integración parece muy adecuado para la fabricación-a gran escala.
Debido a que la técnica se puede ejecutar en fundiciones de semiconductores estándar y no requiere cambios importantes en la arquitectura del chip subyacente, es prometedora para una adopción más amplia.
Los investigadores sostienen que el método es "rentable-efectivo" y "puede funcionar para una variedad de diseños de chips fotónicos integrados sin necesidad de modificaciones extensas o complejas".
Dicho esto, el enfoque probablemente enfrentará un escrutinio en cuanto a la coherencia entre obleas grandes y la compatibilidad con los sistemas fotónicos comerciales.
Además, el éxito en entornos de laboratorio controlados no garantiza una implementación perfecta en entornos de fabricación en masa.
Aún así, la combinación de un diseño láser compacto, la compatibilidad con procesos convencionales y la integración de la funcionalidad de banda O-hace que este desarrollo sea notable.
Desde centros de datos hasta sensores avanzados, esta integración láser-compatible con silicio podría acercar los circuitos fotónicos a la viabilidad del mercado-masivo.
