Высокопроизводительный лазер на кремнии с квантовой точкой. Десять лет в будущее. Именно о том, как далеко продвинулись профессор электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джон Бауэрс и его исследовательская группа благодаря недавней разработке своих лазеров на квантовых точках с синхронизацией мод на кремнии. Это технология, которая не только может значительно увеличить пропускную способность центров обработки данных, телекоммуникационных компаний и сетевых аппаратных продуктов, но также благодаря высокой стабильности, низкому уровню шума и энергоэффективности кремниевой фотоники.

Гребень частоты. Фото: Сунтао Лю

«Уровень трафика данных в мире растет очень, очень быстро», – сказал Бауэрс, соавтор статьи о новых технологиях в журнале Optica. В целом, пояснил он, пропускная способность и пропускная способность современной телекоммуникационной инфраструктуры должны удваиваться примерно каждые два года, чтобы поддерживать высокий уровень производительности. Это означает, что даже сейчас технологические компании, такие как Intel и Cisco, должны ориентироваться на аппаратное обеспечение 2024 года и более, чтобы оставаться конкурентоспособными.

Откройте для себя лазерный генератор с квантовыми точками с пассивной синхронизацией мод и мощностью 20 ГГц от Bowers Group, впервые выращенный, насколько известно группе, на кремниевой подложке. Обладая проверенной пропускной способностью 4,1 терабит в секунду, он опережает, по оценкам, на целое десятилетие впереди лучший на сегодняшний день коммерческий стандарт передачи данных, который в настоящее время достигает 400 гигабит в секунду в сети Ethernet.

Эта технология является новейшим высокопроизводительным кандидатом в устоявшейся методике, называемой мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM), которая передает множество параллельных сигналов по одному оптическому волокну с использованием разных длин волн (цветов). Это сделало возможным потоковую передачу и быструю передачу данных, на которые мы полагаемся для наших коммуникаций, развлечений и коммерции.

Новая технология Bowers Group использует преимущества нескольких достижений в области телекоммуникаций, фотоники и материалов благодаря своему лазеру с квантовыми точками – крошечному источнику света микронного размера, который может излучать широкий диапазон световых волн, по которым могут передаваться данные.

«Мы хотим, чтобы в одном дешевом источнике света генерировалось больше когерентных длин волн», – сказал Сонгтао Лю, научный сотрудник Bowers Group и ведущий автор статьи. «Квантовые точки могут предложить вам широкий спектр усиления, и поэтому мы можем получить много каналов». Их лазер с квантовыми точками генерирует 64 канала с разнесением на 20 ГГц и может использоваться в качестве передатчика для повышения пропускной способности системы.

Лазер пассивно синхронизируется по моде – метод, который генерирует когерентные оптические «гребенки» с фиксированным расстоянием между каналами – для предотвращения шума от конкуренции длин волн в резонаторе лазера и стабилизации передачи данных.

Эта технология представляет собой значительный прогресс в области кремниевых электронных и фотонных интегральных схем, в которых основная цель заключается в создании компонентов, использующих свет (фотоны) и волноводы, не имеющих аналогов по емкости данных и скорости передачи, а также по эффективности использования энергии, наряду с даже вместо электронов и проводов. Кремний является хорошим материалом для качества света, который он может направлять и сохранять, а также для простоты и низкой стоимости его крупномасштабного производства. Тем не менее, это не так хорошо для генерации света.

«Если вы хотите эффективно генерировать свет, вам нужен полупроводник с прямой запрещенной зоной», – сказал Лю, имея в виду идеальное свойство электронной структуры для светоизлучающих твердых тел. «Кремний является непрямым полупроводником с запрещенной запрещенной зоной». Лазер с квантовыми точками Bowers Group, выращенный на молекуле кремния за молекулой в нанотехнологических предприятиях Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, представляет собой структуру, которая использует электронные свойства нескольких полупроводниковых материалов для рабочих характеристик и функции (включая их прямые запрещенные зоны), в дополнение к собственным известным оптическим и производственным преимуществам кремния.

Ожидается, что этот лазер с квантовыми точками и подобные ему компоненты станут нормой в области телекоммуникаций и обработки данных, поскольку технологические компании ищут способы улучшить свою емкость данных и скорости передачи.

«Центры обработки данных в настоящее время покупают большое количество кремниевых фотонных трансиверов», – отметил Бауэрс. «И это пошло из ничего два года назад».

С тех пор, как десять лет назад Bowers продемонстрировал первый в мире гибридный кремниевый лазер (усилие совместно с Intel), мир кремниевой фотоники продолжает создавать более эффективные и высокопроизводительные технологии, сохраняя при этом как можно меньшую площадь, ориентируясь на массовое производство. Бауэрс и Лю говорят, что лазер на квантовых точках на кремнии – это современная технология, которая обеспечивает превосходную производительность, которая будет востребована для будущих устройств.

«Мы далеко стреляем», – сказал Бауэрс, который возглавляет кафедру нанотехнологий Фреда Кавли, – «это то, чем должны заниматься исследования в университете».

По материалам phys.org