Si stanno finalmente costruendo chip fotonici con laser quantistici senza riprogettare l’intero sistema
Questi laser funzionano direttamente sul silicio e sopravvivono al calore elevato per oltre sei anni
I ricercatori dell'Università della California hanno colmato il divario del laser con polimeri e hanno perfezionato il controllo del raggio di precisione su-chip
Un nuovo metodo di fabbricazione potrebbe rendere i circuiti fotonici più economici e più pratici integrando direttamente i laser a punti quantici (QD) su chip di silicio, un processo che potrebbe influenzare il modo in cui verranno progettati i futuri dispositivi domestici intelligenti, fitness tracker e persino laptop.
Il gruppo di ricerca, guidato da Rosalyn Koscica dell’Università della California, ha raggiunto questo obiettivo combinando tre strategie chiave.
Hanno utilizzato una configurazione laser tascabile per l'integrazione diretta, hanno seguito un metodo di crescita in due-fasi che prevedeva la deposizione di vapore di sostanze chimiche metalloorganiche e l'epitassia del fascio molecolare e hanno introdotto una tecnica di riempimento del gap polimerico-per ridurre la diffusione del raggio ottico.
Colmare il divario con un'attenta progettazione
Questo sviluppo affronta sfide di lunga data che coinvolgono incompatibilità dei materiali e inefficienze di accoppiamento che storicamente hanno limitato le prestazioni e la scalabilità dei sistemi fotonici integrati.
Gli sforzi combinati hanno ridotto al minimo il gap di interfaccia iniziale e hanno consentito ai laser di funzionare in modo affidabile sui chiplet fotonici di silicio.
Come notano i ricercatori, "le applicazioni dei circuiti integrati fotonici (PIC) richiedono sorgenti luminose su-chip con un ingombro ridotto per consentire un'integrazione dei componenti più densa".
Il nuovo approccio consente un laser monomodale stabile-alla frequenza O-in banda, che è-adatto per le comunicazioni di dati nei data center e nei sistemi di archiviazione sul cloud.
Integrando i laser direttamente con risonatori ad anello in silicio o utilizzando riflettori di Bragg distribuiti in nitruro di silicio, il team ha anche affrontato questioni relative all'allineamento e al feedback ottico.
Uno dei risultati più sorprendenti della ricerca è il rendimento dei laser sotto calore.
"I nostri laser QD integrati hanno dimostrato un laser ad alta temperatura fino a 105 gradi e una durata di 6,2 anni mentre funzionano a una temperatura di 35 gradi", afferma la signora Koscica.
Questi parametri prestazionali suggeriscono un livello di stabilità termica precedentemente difficile da raggiungere con progetti integrati monoliticamente.
Questa resilienza termica apre le porte ad applicazioni più durevoli negli ambienti-del mondo reale, dove le fluttuazioni di temperatura possono limitare l'affidabilità dei componenti fotonici.
Potrebbe anche ridurre la necessità di raffreddamento attivo, che tradizionalmente ha aggiunto costi e complessità ai progetti passati.
Al di là delle prestazioni, il metodo di integrazione sembra adatto alla produzione su larga-scala.
Poiché la tecnica può essere eseguita nelle fonderie di semiconduttori standard e non richiede modifiche importanti all’architettura del chip sottostante, è promettente per un’adozione più ampia.
I ricercatori sostengono che il metodo è "economico-efficace" e "può funzionare per una gamma di progetti di chip integrati fotonici senza bisogno di modifiche estese o complesse".
Detto questo, l’approccio probabilmente dovrà essere esaminato attentamente per quanto riguarda la coerenza tra wafer di grandi dimensioni e la compatibilità con i sistemi fotonici commerciali.
Inoltre, il successo in ambienti di laboratorio controllati non garantisce un’implementazione perfetta in contesti di produzione di massa.
Tuttavia, la combinazione di design laser compatto, compatibilità con i processi convenzionali e integrazione della funzionalità O-band rende questo sviluppo notevole.
Dai data center ai sensori avanzati, questa integrazione laser-compatibile con il silicio potrebbe avvicinare i circuiti fotonici alla fattibilità del mercato-di massa.
