Vědcům se podařilo v jednom čipu spojit schopnost fosfidu india vyzařovat světlo a schopnost křemíku světlo vést. Po připojení elektrického napětí světlo emitované fosfidem vstoupí do křemíkového světlovodu a vytvoří spojitý laserový paprsek, který lze využít k řízení dalších křemíkových fotonických zařízení.

„Otevírá se nám cesta k levným datovým vedením s terabitovou kapacitou pro počítače budoucnosti a nové generace špičkově výkonných výpočetních aplikací,“ uvádí Mario Paniccia, ředitel laboratoře Photonics Technology Lab společnosti Intel. „Ačkoliv jsme stále poměrně daleko od uvedení komerčních produktů, jsme přesvědčeni, že bude možné integrovat desítky a možná stovky hybridních polovodičových laserů společně s dalšími fotonickými komponenty v jediném čipu.“

„Díky propojení naší znalostí fosfidu india a křemíkové fotoniky společnosti Intel bylo možné vytvořit novou strukturu laseru, která obsahuje spojení, jež lze použít na úrovni křemíkové desky, části desky i jednotlivé vrstvy, a tím pádem i k rozsáhlé integraci optických zařízení do jediného polovodičového produktu,“ říká k tomu profesor John Bowers z UCSB.

Technické podrobnosti

Křemík se v dnešní době používá k masové produkci cenově dostupné digitální elektroniky. Využít jej lze rovněž k vedení, detekci, modulaci a dokonce i zesílení světla, ale ne k jeho tvorbě. V telekomunikační technice se dnes zase běžně využívají lasery založené na fosfidu india. Avšak vzhledem k tomu, že se musí ručně montovat a seřizovat, jsou pro masovou výrobu příliš drahé, a nelze je proto v PC průmyslu využít.

Hybridní křemíkový laser má novou strukturu, která k produkci a zesílení světla využívá materiál z fosfidu india a k vedení a řízení laserového paprsku křemíkový světlovod. Klíčem k výrobě tohoto zařízení je použití nízké teploty a kyslíkové plazmy (elektricky nabitého plynného kyslíku), která na povrchu obou materiálů vytvoří tenkou (zhruba 25 atomů silnou) vrstvu oxidu.

Při zahřátí a stlačení těchto vrstev zafunguje oxidová vrstva jako „skleněné lepidlo“, které oba materiály v čipu spojí. Po zapojení elektrického napětí světlo vytvořené v materiálu s fosfidem india kontaktní oxidovou vrstvou projde do křemíkového světlovodu, kde je dále řízeno – vzniká tak hybridní křemíkový laser. Celkový výkon a parametry světla z hybridního křemíkového laseru významnou měrou ovlivňuje konstrukce světlovodu.

Vytvoření takto malého zdroje laseru má samozřejmě nesporné výhody. Tou hlavní z nich je, že odpadá nutnost použití externích zdrojů laserových paprsků, což byla doposud největší slabina celého optického systému. Takto malých zdrojů může být na jednom čipu relativně velké množství. První demonstrovaný hybridní křemíkový laser je jen asi 800 mikronů dlouhý a v budoucnu zajisté čekají ještě menší. Každý laser může mít navíc jinou vlnovou délku (zjednodušeně řečeno jinou barvu), což nabízí další možnosti, jako sdružování více paprsků do jednoho svazku a tím v podstatě zvýšení kapacity optických cest.

Tento obrázek ukazuje koncept křemíkového laserového vysílače s 25 hybridními křemíkovými lasery, každý s jinou vlnovou délkou. Všechny tyto paprsky se sdružují do jediného optického vlákna a celková datová propustnost sahá k jednomu terabitu/s.

Vytváření hybridního křemíkového laseru a názorné použití můžete zhlédnout na animaci níže. Pokud byste chtěli celé video včetně komentářů, můžete stahovat přímo z webu Intelu (verzi velkou nebo malou).