Photonische Chips mit Quantenlasern werden endlich gebaut, ohne das gesamte System neu zu entwerfen
Diese Laser arbeiten direkt auf Silizium und überstehen dennoch über sechs Jahre große Hitze
Forscher der University of California füllten die Laserlücke mit Polymeren und brachten eine präzise Strahlsteuerung auf den Chip
Eine neue Herstellungsmethode könnte photonische Schaltkreise billiger und praktischer machen, indem Quantenpunktlaser (QD) direkt auf Siliziumchips integriert werden – ein Prozess, der Einfluss darauf haben könnte, wie zukünftige Smart-Home-Geräte, Fitness-Tracker und sogar Laptops konstruiert werden.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Rosalyn Koscica von der University of California erreichte dies durch die Kombination von drei Schlüsselstrategien.
Sie verwendeten eine Taschenlaserkonfiguration für die direkte Integration, folgten einer zweistufigen Wachstumsmethode mit metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie und führten eine Polymerlückenfülltechnik ein, um die Ausbreitung des optischen Strahls zu reduzieren.
Mit sorgfältiger Technik die Lücke schließen
Diese Entwicklung befasst sich mit langjährigen Herausforderungen im Zusammenhang mit Materialinkompatibilitäten und Kopplungsineffizienzen, die in der Vergangenheit die Leistung und Skalierbarkeit integrierter photonischer Systeme eingeschränkt haben.
Die gemeinsamen Anstrengungen minimierten die anfängliche Grenzflächenlücke und ermöglichten den zuverlässigen Betrieb von Lasern auf photonischen Siliziumchiplets.
Wie die Forscher anmerken, „erfordern PIC-Anwendungen (Photonic Integrated Circuit) On-Chip-Lichtquellen mit einer kleinen Gerätefläche, um eine dichtere Komponentenintegration zu ermöglichen.“
Der neue Ansatz ermöglicht stabiles Single-{0}Mode-Lasern im O-Band, das sich gut-für die Datenkommunikation in Rechenzentren und Cloud-Speichersystemen eignet.
Durch die direkte Integration der Laser in Ringresonatoren aus Silizium oder die Verwendung verteilter Bragg-Reflektoren aus Siliziumnitrid hat das Team auch Probleme im Zusammenhang mit Ausrichtung und optischer Rückkopplung gelöst.
Eines der überraschenderen Ergebnisse der Forschung ist, wie gut die Laser unter Hitze funktionieren.
„Unsere integrierten QD-Laser zeigten eine Laserleistung bei hohen Temperaturen von bis zu 105 Grad und eine Lebensdauer von 6,2 Jahren bei einer Betriebstemperatur von 35 Grad“, sagt Frau Koscica.
Diese Leistungskennzahlen deuten auf ein Maß an thermischer Stabilität hin, das bisher mit monolithisch integrierten Designs nur schwer zu erreichen war.
Diese thermische Widerstandsfähigkeit öffnet die Tür zu langlebigeren Anwendungen in realen Umgebungen, in denen Temperaturschwankungen die Zuverlässigkeit photonischer Komponenten einschränken können.
Dadurch kann auch der Bedarf an aktiver Kühlung reduziert werden, der bei früheren Designs traditionell zu höheren Kosten und mehr Komplexität geführt hat.
Über die Leistung hinaus scheint die Integrationsmethode gut für die Produktion im großen Maßstab geeignet zu sein.
Da die Technik in Standard-Halbleitergießereien ausgeführt werden kann und keine größeren Änderungen an der zugrunde liegenden Chiparchitektur erfordert, verspricht sie eine breitere Akzeptanz.
Die Forscher argumentieren, dass die Methode „kosten{0}effektiv“ sei und „für eine Reihe von photonischen integrierten Chipdesigns funktionieren kann, ohne dass umfangreiche oder komplexe Modifikationen erforderlich sind“.
Allerdings wird der Ansatz wahrscheinlich einer Prüfung hinsichtlich der Konsistenz über große Wafer und der Kompatibilität mit kommerziellen Photonensystemen ausgesetzt sein.
Außerdem ist der Erfolg in kontrollierten Laborumgebungen keine Garantie für eine nahtlose Bereitstellung in Massenfertigungsumgebungen.
Dennoch macht die Kombination aus kompaktem Laserdesign, Kompatibilität mit herkömmlichen Prozessen und Integration der O--Band-Funktionalität diese Entwicklung bemerkenswert.
Von Rechenzentren bis hin zu fortschrittlichen Sensoren könnte diese siliziumkompatible Laserintegration photonische Schaltkreise der Massenmarktfähigkeit näher bringen.
