Duizenden kilometers glasvezelkabels doorkruisen de wereld en verpakken alles, van financiële gegevens tot kattenvideo's, in licht. Maar wanneer het signaal aankomt bij uw lokale datacenter, het loopt tegen een silicium bottleneck aan. In plaats van licht, computers draaien op elektronen die door op silicium gebaseerde chips bewegen - die, ondanks enorme vooruitgang, zijn nog steeds minder efficiënt dan fotonica.

Om dit knelpunt te doorbreken, onderzoekers proberen fotonica te integreren in siliciumapparaten. Ze hebben lasers ontwikkeld - een cruciaal onderdeel van fotonische circuits - die naadloos werken op silicium. In een krant die deze week verschijnt in APL Fotonica , onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara schrijft dat de toekomst van op silicium gebaseerde lasers in kleine, atoomachtige structuren die kwantumstippen worden genoemd.

Dergelijke lasers kunnen veel energie besparen. Het vervangen van de elektronische componenten die apparaten verbinden met fotonische componenten zou het energieverbruik met 20 tot 75 procent kunnen verminderen, Justin Norman, een afgestudeerde student aan UC Santa Barbara, zei. "Het is een aanzienlijke vermindering van het wereldwijde energieverbruik door een manier te hebben om lasers en fotonische circuits met silicium te integreren."

Silicium, echter, heeft niet de juiste eigenschappen voor lasers. Onderzoekers hebben zich in plaats daarvan gewend tot een klasse materialen uit groep III en V van het periodiek systeem omdat deze materialen kunnen worden geïntegreerd met silicium.

aanvankelijk, de onderzoekers worstelden om een ​​functionele integratiemethode te vinden, maar uiteindelijk gebruikten ze kwantumdots omdat ze direct op silicium kunnen worden gekweekt, zei Norman. Quantum dots zijn halfgeleiderdeeltjes van slechts enkele nanometers breed - klein genoeg om zich als individuele atomen te gedragen. Wanneer aangedreven met elektrische stroom, elektronen en positief geladen gaten worden opgesloten in de stippen en recombineren om licht uit te stralen - een eigenschap die kan worden benut om lasers te maken.

De onderzoekers maakten hun III-V quantum-dot-lasers met behulp van een techniek die moleculaire bundelepitaxie wordt genoemd. Ze zetten het III-V-materiaal af op het siliciumsubstraat, en zijn atomen assembleren zichzelf tot een kristallijne structuur. Maar de kristalstructuur van silicium verschilt van III-V-materialen, leiden tot defecten waardoor elektronen en gaten kunnen ontsnappen, vernederende prestaties. Gelukkig, omdat kwantumstippen met hoge dichtheden samengepakt zijn - meer dan 50 miljard stippen per vierkante centimeter - vangen ze elektronen en gaten op voordat de deeltjes verloren gaan.

Deze lasers hebben vele andere voordelen, zei Norman. Bijvoorbeeld, kwantumstippen zijn stabieler in fotonische circuits omdat ze gelokaliseerde atoomachtige energietoestanden hebben. Ze kunnen ook op minder stroom werken omdat ze niet zoveel elektrische stroom nodig hebben. Bovendien, ze kunnen bij hogere temperaturen werken en worden verkleind tot kleinere afmetingen.

Alleen in het afgelopen jaar, onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt dankzij de vooruitgang in materiële groei, zei Norman. Nutsvoorzieningen, de lasers werken bij 35 graden Celsius zonder veel degradatie en de onderzoekers melden dat de levensduur tot 10 miljoen uur kan bedragen.

Ze testen nu lasers die kunnen werken bij 60 tot 80 graden Celsius, het meer typische temperatuurbereik van een datacenter of supercomputer. Ze werken ook aan het ontwerpen van epitaxiale golfgeleiders en andere fotonische componenten, zei Norman. "Plotseling, " hij zei, "We hebben zoveel vooruitgang geboekt dat de dingen er op korte termijn iets beter uitzien."