Лазеры и кремний: революция на чипе

Учёные из Университета Калифорнии во главе с Розалин Косцикой придумали способ срастить лазеры с кремниевыми чипами. Для этого они использовали трёхходовку: взяли особую компоновку лазера (pocket laser), применили двухступенчатый метод выращивания (сначала химическое осаждение, потом молекулярно-лучевую эпитаксию) и заполнили щели полимером, чтобы свет не расползался.

Проблема в том, что раньше совместить лазеры (особенно на квантовых точках — QD) с кремнием было почти невозможно: материалы друг друга терпеть не могли, стыки плохо работали, да и лазеры эти не хотели нормально светить в составе полноценного фотонного чипа. Теперь интерфейс между лазером и кремнием сделали почти герметичным, благодаря чему лазеры реально работают прямо на кремниевых фотонных чиплетах.

Почему это всё так важно? В фотонных интегральных схемах (а это такой сложный чип, где вместо электронов бегает свет) хочется встроить максимально маленькие и стабильные источники света. Это даёт компактность и позволяет напихать побольше компонентов — как бутерброда набить начинкой.

Новый способ позволяет получить стабильное лазерное излучение в диапазоне O-band (это частоты, используемые для передачи данных на больших скоростях, скажем, в дата-центрах или облачных хранилищах).

Лазеры теперь можно прямо сращивать с кольцевыми резонаторами из кремния или даже использовать отражатели из кремниевого нитрида, чтобы управлять светом внутри чипа — и, наконец-то, не мучиться с мучительно точной подгонкой компонентов.

Что самое забавное: лазеры показали отличную живучесть при нагреве — работали без сбоев при 105°C, а если держать их при более скромных 35°C, то проживут 6,2 года (сам Коццика так говорит). Такая термостойкость для монолитного сочетания лазера и кремния — раньше казалась фантастикой.

Это значит, что будущие устройства, будь то фитнес-браслеты, датчики, ноутбуки или умные домашние системы, смогут работать стабильнее и особенно не бояться перепадов температуры. Возможно, вскоре удастся вообще избавиться от громоздких систем охлаждения.

Важный плюс — производственный процесс не требует дорогостоящих переделок стандартных чиповых фабрик: новых станков не надо, технология гибкая и массовая. Можно использовать существующие схемы, не срывая голову инженерам. Хотя вопросы стандартизации и повторяемости на больших кремниевых пластинах — дело ещё будущих доработок и тестов на реальных заводах.

Тем не менее, это большой шаг: компактные, выносливые лазеры, пригодные для масштабного производства и дружелюбные к привычным кремниевым процессам, могут радикально изменить рынок фотонных чипов – от дата-центров до бытовых датчиков.