Quantum-dot lasere er lovende for integrerede fotoniske kredsløb

Tusinder af miles af fiberoptiske kabler krydser kloden og pakker alt fra finansielle data til kattevideoer til lys. Men når signalet ankommer til dit lokale datacenter, den løber ind i en siliciumflaskehals. I stedet for lys, computere kører på elektroner, der bevæger sig gennem siliciumbaserede chips - som, trods store fremskridt, er stadig mindre effektive end fotonik.

For at bryde igennem denne flaskehals, forskere forsøger at integrere fotonik i siliciumenheder. De har udviklet lasere - en afgørende komponent i fotoniske kredsløb - der fungerer problemfrit på silicium. I en avis, der udkommer i denne uge APL fotonik , forskere fra University of California, Santa Barbara skriver, at fremtiden for siliciumbaserede lasere kan være meget lille, atomlignende strukturer kaldet kvanteprikker.

Sådanne lasere kunne spare meget energi. Udskiftning af de elektroniske komponenter, der forbinder enheder med fotoniske komponenter, kan reducere energiforbruget med 20 til 75 procent, Justin Norman, en kandidatstuderende ved UC Santa Barbara, sagde. "Det er en væsentlig nedskæring af det globale energiforbrug blot ved at have en måde at integrere lasere og fotoniske kredsløb med silicium."

Silicium, imidlertid, har ikke de rigtige egenskaber til lasere. Forskere har i stedet henvendt sig til en klasse af materialer fra gruppe III og V i det periodiske system, fordi disse materialer kan integreres med silicium.

I første omgang, forskerne kæmpede for at finde en funktionel integrationsmetode, men endte i sidste ende med at bruge kvanteprikker, fordi de kan dyrkes direkte på silicium, sagde Norman. Kvanteprikker er halvlederpartikler, der kun er få nanometer brede - små nok til at de opfører sig som individuelle atomer. Når den drives med elektrisk strøm, elektroner og positivt ladede huller bliver indesluttet i prikkerne og rekombinerer for at udsende lys - en egenskab, der kan udnyttes til at lave lasere.

Forskerne lavede deres III-V kvantepunktlasere ved hjælp af en teknik kaldet molekylær stråleepitaxi. De afsætter III-V-materialet på siliciumsubstratet, og dets atomer samler sig selv til en krystallinsk struktur. Men krystalstrukturen af ​​silicium adskiller sig fra III-V materialer, fører til defekter, der tillader elektroner og huller at undslippe, nedværdigende ydeevne. Heldigvis, fordi kvanteprikker er pakket sammen ved høj tæthed – mere end 50 milliarder prikker per kvadratcentimeter – fanger de elektroner og huller, før partiklerne går tabt.

Disse lasere har mange andre fordele, sagde Norman. For eksempel, kvanteprikker er mere stabile i fotoniske kredsløb, fordi de har lokaliserede atomlignende energitilstande. De kan også køre med mindre strøm, fordi de ikke har brug for så meget elektrisk strøm. I øvrigt, de kan fungere ved højere temperaturer og skaleres ned til mindre størrelser.

I blot det sidste år, forskere har gjort betydelige fremskridt takket være fremskridt inden for materiel vækst, sagde Norman. Nu, laserne fungerer ved 35 grader celsius uden stor nedbrydning, og forskerne rapporterer, at levetiden kan være op til 10 millioner timer.

De tester nu lasere, der kan fungere ved 60 til 80 grader Celsius, det mere typiske temperaturområde for et datacenter eller supercomputer. De arbejder også på at designe epitaksiale bølgeledere og andre fotoniske komponenter, sagde Norman. "Pludselig, " han sagde, "Vi har gjort så mange fremskridt, at tingene ser lidt mere ud på kort sigt."