Chips fotônicos com lasers quânticos estão finalmente sendo construídos sem redesenhar todo o sistema
Esses lasers funcionam diretamente no silício e ainda sobrevivem a altas temperaturas por mais de seis anos
Pesquisadores da Universidade da Califórnia preencheram a lacuna do laser com polímeros e acertaram no controle preciso do feixe no-chip
Um novo método de fabricação poderia tornar os circuitos fotônicos mais baratos e práticos, integrando diretamente lasers de pontos quânticos (QD) em chips de silício, um processo que poderia influenciar como futuros dispositivos domésticos inteligentes, rastreadores de fitness e até mesmo laptops serão projetados.
A equipe de pesquisa, liderada por Rosalyn Koscica, da Universidade da Califórnia, conseguiu isso combinando três estratégias principais.
Eles usaram uma configuração de laser de bolso para integração direta, seguiram um método de crescimento em duas-etapas envolvendo deposição de vapor químico metalorgânico e epitaxia por feixe molecular, e introduziram uma técnica de preenchimento-de lacunas de polímero para reduzir a propagação do feixe óptico.
Fechando a lacuna com engenharia cuidadosa
Este desenvolvimento aborda desafios de longa data que envolvem incompatibilidades de materiais e ineficiências de acoplamento que historicamente limitaram o desempenho e a escalabilidade de sistemas fotônicos integrados.
Os esforços combinados minimizaram a lacuna inicial da interface e possibilitaram que os lasers funcionassem de maneira confiável em chips fotônicos de silício.
Como observam os pesquisadores, "as aplicações de circuitos integrados fotônicos (PIC) exigem fontes de luz no{0}}chip com uma pequena área ocupada pelo dispositivo para permitir uma integração mais densa de componentes".
A nova abordagem permite laser de modo único-estável na frequência da banda O-, o que é adequado-para comunicações de dados em data centers e sistemas de armazenamento em nuvem.
Ao integrar os lasers diretamente com ressonadores de anel feitos de silício ou usando refletores Bragg distribuídos de nitreto de silício, a equipe também abordou questões relacionadas ao alinhamento e feedback óptico.
Uma das descobertas mais surpreendentes da pesquisa é o desempenho dos lasers sob o calor.
"Nossos lasers QD integrados demonstraram alta temperatura de até 105 graus e uma vida útil de 6,2 anos enquanto operavam a uma temperatura de 35 graus", diz a Sra. Koscica.
Estas métricas de desempenho sugerem um nível de estabilidade térmica anteriormente difícil de alcançar com projetos monoliticamente integrados.
Essa resiliência térmica abre as portas para aplicações mais duráveis em ambientes do mundo-real, onde as flutuações de temperatura podem limitar a confiabilidade dos componentes fotônicos.
Também pode reduzir a necessidade de resfriamento ativo, que tradicionalmente acrescentava custo e complexidade aos projetos anteriores.
Além do desempenho, o método de integração parece adequado para fabricação em-grande escala.
Como a técnica pode ser executada em fundições de semicondutores padrão e não requer grandes mudanças na arquitetura do chip subjacente, ela promete uma adoção mais ampla.
Os pesquisadores argumentam que o método é "{0}econômico" e "pode funcionar para uma variedade de designs de chips fotônicos integrados sem a necessidade de modificações extensas ou complexas".
Dito isto, a abordagem provavelmente enfrentará um exame minucioso em relação à consistência entre grandes wafers e à compatibilidade com sistemas fotônicos comerciais.
Além disso, o sucesso em ambientes de laboratório controlados não garante uma implantação perfeita em ambientes de produção em massa.
Ainda assim, a combinação de um design de laser compacto, compatibilidade com processos convencionais e integração da funcionalidade da banda O-torna esse desenvolvimento notável.
De data centers a sensores avançados, essa integração de laser{0}compatível com silício pode aproximar os circuitos fotônicos da viabilidade-do mercado de massa.
