Forskerteam udvikler en højtydende quantum dot-låst laser på silicium

Ti år ud i fremtiden. Det er omtrent hvor langt UC Santa Barbara professor i elektrisk og computerteknik John Bowers og hans forskerhold når med den nylige udvikling af deres mode-låste quantum dot lasere på silicium. Det er teknologi, der ikke kun massivt kan øge datatransmissionskapaciteten for datacentre, telekommunikationsvirksomheder og netværkshardwareprodukter, der kommer, men gør det med høj stabilitet, lav støj og energieffektiviteten ved siliciumfotonik.

"Datatrafikniveauet i verden stiger meget, meget hurtig, "sagde Bowers, medforfatter af et papir om den nye teknologi i tidsskriftet Optica . Generelt sagt, forklarede han, transmissions- og datakapaciteten i den nyeste telekommunikationsinfrastruktur skal fordobles omtrent hvert andet år for at opretholde et højt ydelsesniveau. Det betyder, at selv nu, teknologivirksomheder som Intel og Cisco er nødt til at sætte deres blik på hardware fra 2024 og fremover for at forblive konkurrencedygtige.

Indtast Bowers-gruppens højkanaltælling, 20 gigahertz, passivt mode-låst quantum dot laser, direkte vokset - for første gang, til gruppens viden - på et siliciumsubstrat. Med en bevist 4,1 terabit per sekund transmissionskapacitet, det springer et anslået helt årti frem fra nutidens bedste kommercielle standard for dataoverførsel, som i øjeblikket når op på 400 gigabit i sekundet på Ethernet.

Teknologien er den seneste højtydende kandidat i en etableret teknik kaldet bølgelængde-division-multiplexering (WDM), som sender mange parallelle signaler over en enkelt optisk fiber ved hjælp af forskellige bølgelængder (farver). Det har muliggjort streaming og hurtig dataoverførsel, vi er kommet til at stole på for vores kommunikation, underholdning og handel.

Bowers Groups nye teknologi drager fordel af flere fremskridt inden for telekommunikation, fotonik og materialer med sin quantum dot laser - en lille, lyskilde i mikronstørrelse-der kan udsende en lang række lysbølgelængder, som data kan transmitteres over.

"Vi vil have flere sammenhængende bølgelængder genereret i en billig lyskilde, "sagde Songtao Liu, en postdoktor i Bowers Group og hovedforfatter af papiret. "Quantum dots kan tilbyde dig et bredt forstærkningsspektrum, og derfor kan vi opnå mange kanaler. "Deres quantum dot laser producerer 64 kanaler, fordelt på 20 GHz, og kan bruges som en sender til at øge systemkapaciteten.

Laseren er passivt 'mode-låst'-en teknik, der genererer sammenhængende optiske 'kamme' med fast kanalafstand-for at forhindre støj fra bølgelængdekonkurrence i laserhulrummet og stabilisere dataoverførsel.

Denne teknologi repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for elektroniske og elektroniske integrerede kredsløb af silicium, hvor det primære mål er at skabe komponenter, der bruger lys (fotoner) og bølgeledere - uden sidestykke for datakapacitet og transmissionshastighed samt energieffektivitet - ved siden af ​​og endda i stedet for elektroner og ledninger. Silicium er et godt materiale til lysets kvalitet, det kan guide og bevare, og for letheden og de lave omkostninger ved dets store produktion. Imidlertid, det er ikke så godt til at generere lys.

"Hvis du vil generere lys effektivt, du ønsker en direkte band-gap halvleder, "sagde Liu, henviser til den ideelle elektroniske strukturelle egenskab til lysemitterende faste stoffer. "Silicium er en indirekte band-gap-halvleder." Bowers Group's quantum dot laser, dyrket på siliciummolekyle-for-molekyle på UC Santa Barbara's nanofabrikationsfaciliteter, er en struktur, der udnytter de elektroniske egenskaber ved flere halvledermaterialer til ydeevne og funktion (herunder deres direkte båndgab), ud over siliciums egne velkendte optiske og produktionsmæssige fordele.

Denne quantum dot laser, og komponenter som den, forventes at blive normen inden for telekommunikation og databehandling, som teknologivirksomheder søger måder at forbedre deres datakapacitet og transmissionshastigheder.

"Datacentre køber nu store mængder af fotoniske siliconemodtagere, "Påpegede Bowers." Og det gik fra ingenting for to år siden. "

Siden Bowers for ti år siden demonstrerede verdens første hybrid siliciumlaser (en indsats i forbindelse med Intel), verden af ​​siliciumfotonik har fortsat med at skabe højere effektivitet, teknologi med højere ydeevne og samtidig bevare et så lille fodaftryk som muligt, med øje for masseproduktion. Quantum dot laser på silicium, Bowers og Liu siger, er state-of-the-art teknologi, der leverer den overlegne ydeevne, der vil blive søgt til fremtidige enheder.

"Vi skyder langt derude, "sagde Bowers, der har Fred Kavli -stolen i nanoteknologi, "hvilket er hvad universitetsforskning skal lave."