 Физики из технического университета Мюнхена разработали нанолазер, имеющий толщину в тысячу раз меньше человеческого волоса. Благодаря продуманному процессу, нанопроволочные лазеры выводятся прямо на кремниевом чипе, что обеспечивает возможность экономично производить высокопроизводительные фотонные компоненты. В будущем, нанолазеры могут открыть путь для быстрой и эффективной обработки данных с помощью света.
С начала компьютерной эры производительность процессоров удваивалась в среднем каждые 18 месяцев. 50 лет назад Гордон Мур спрогнозировал этот удивительный рост производительности. И закон Мура кажется, остается справедливым и по сей день.
Но миниатюризация электроники теперь достигает своих физических пределов. Уже сейчас транзисторы достигают лишь нескольких нанометров. Дальнейшее сокращение является чудовищно дорогим. Повышение эффективности достижимо лишь путем замены электронов фотонами – то есть частицами света.
Передача и обработка данный через свет может привести к разрушению текущих барьеров электроники. Фактически, первые кремниевые фотонные чипы уже существуют. Однако источники света для передачи данных должен быть прикреплен к кремнию в ходе сложных производственных процессов. Поэтому исследователи во всем мире стремятся к поиску альтернативных подходов.
Ученые из Мюнхена разработали процесс депонирования нанолазеров непосредственно на кремниевых чипах. Патент на новую технологию уже находится на рассмотрении.
Выращивание полупроводников III-V на кремнии требует сложных экспериментов. Два материала имеют различные параметры решетки и различные коэффициенты теплового расширения, что приводит к нагрузке. Например, обычный рост арсенида галлия на поверхности кремния приводит к большому количеству дефектов.
Исследователи решили эту проблему оригинальным способом: посредством нанесения нанопроводов, которые находятся в свободном положении на кремнии со следом всего лишь в несколько квадратных нанометров. Ученые могут, таким образом, исключить возникновением дефектов в материале арсенида галлия.
Но каким образом превратить нанопроволоки в лазеры с вертикальным резонатором? Для генерации когерентного света фотоны должны быть отражены в верхних и нижних концах провода, тем самым усиливая свет, пока он не достигнет желаемого порога генерации.
Для выполнения этих условий, исследователи должны были разработать простой, но хитрое решение – они внедрили дополнительное зеркало, представляющее собой слой оксида кремния толщиной в 200 нанометров. Крошечные отверстия могут быть выгравированы на зеркальном слое. Используя эпитаксию, полупроводниковые нанопровода могут затем быть выращены из этих отверстий.
Только после того, как провода выступают за зеркальную поверхность, они могут расти вбок - до тех пор, пока полупроводник не станет достаточно толстым, чтобы позволить фотонам перемещаться взад и вперед, чтобы обеспечить вынужденное излучение и генерацию. Данный процесс является очень элегантным, потому что он позволяет позиционировать нанопроволоки лазеров непосредственно на волноводы в кремниевом чипе.
В настоящее время новые нанопроволочные лазеры производят инфракрасный свет в определенной волне и при импульсном возбуждении. В будущем исследователи желают изменить длину волны излучения и другие параметров для лучшей температурной стабильности и распространения света при непрерывном возбуждении в кремниевых чипах.
Работа исследователей является важной предпосылкой для развития высокопроизводительных оптических компонентов в будущих компьютерах. Они смогли продемонстрировать возможность производства кремниевых чипов с интегрированными лазерами.
|
