Fysiker vid tekniska universitetet i München (TUM) har utvecklat en nanolaser, tusen gånger tunnare än ett människohår. Tack vare en genial process, nanotrådslasrarna växer direkt på ett kiselchip, gör det möjligt att producera högpresterande fotoniska komponenter kostnadseffektivt. Detta kommer att bana väg för snabb och effektiv databehandling med ljus i framtiden.

Allt mindre, allt snabbare, allt billigare - sedan datoråldern startade har processornas prestanda i genomsnitt fördubblats var 18:e månad. Redan för 50 år sedan Intels grundare Gordon E. Moore prognostiserade denna häpnadsväckande tillväxt i prestanda. Och Moores lag verkar gälla än idag.

Men miniatyriseringen av elektronik når nu sina fysiska gränser. "Redan idag, transistorer är bara några nanometer stora. Ytterligare sänkningar är fruktansvärt dyra, "säger professor Jonathan Finley, Direktör för Walter Schottky Institute vid TUM. "Förbättrad prestanda är endast möjlig genom att ersätta elektroner med fotoner, dvs ljuspartiklar. "

Fotonik - miniatyriseringens silverkula

Dataöverföring och bearbetning med ljus har potential att bryta barriärerna för strömelektronik. Faktiskt, de första kiselbaserade fotonikflisarna finns redan. Dock, ljuskällorna för överföring av data måste fästas till kislet i komplicerade och genomarbetade tillverkningsprocesser. Forskare runt om i världen söker alltså efter alternativa metoder.

Forskare vid TU München har nu lyckats med denna strävan:Dr. Gregor Koblmüller vid Department of Semiconductor Quantum-Nanosystems har, i samarbete med Jonathan Finley, utvecklat en process för att deponera nanolasers direkt på kiselchips. Ett patent på tekniken väntar.

Att odla en III-V halvledare på kisel kräver tuffa experiment. "De två materialen har olika gitterparametrar och olika värmeutvidgningskoefficienter. Detta leder till belastning, "förklarar Koblmüller." Till exempel, konventionell plan tillväxt av galliumarsenid på en kiselyta resulterar därför i ett stort antal defekter. "

TUM -teamet löste detta problem på ett genialt sätt:Genom att avsätta nanotrådar som är fristående på kisel är deras fotavtryck bara några kvadratiska nanometer. Forskarna kunde således förhindra att det uppstår defekter i GaA -materialet.

Atom för atom till en nanotråd

Men hur gör man en nanotråd till en laser med vertikal hålighet? För att generera sammanhängande ljus, fotoner måste reflekteras i trådens övre och nedre ändar, därigenom förstärker ljuset tills det når önskad tröskel för lasning.

För att uppfylla dessa villkor, forskarna var tvungna att utveckla en enkel, men ändå sofistikerad lösning:"Gränssnittet mellan galliumarsenid och kisel reflekterar inte tillräckligt med ljus. Vi byggde alltså in en extra spegel - ett 200 nanometer tjockt kiseloxidskikt som vi avdunstade på kislet, "förklarar Benedikt Mayer, doktorand i teamet som leds av Koblmüller och Finley. "Små hål kan sedan etsas in i spegelskiktet. Med epitaxy, Halvledarnanotrådarna kan sedan odlas atom för atom ur dessa hål. "

Först när trådarna sticker ut utanför spegelytan kan de växa i sidled - tills halvledaren är tillräckligt tjock för att fotoner ska kunna stråla fram och tillbaka för att möjliggöra stimulerad emission och lasning. "Denna process är mycket elegant eftersom den tillåter oss att placera nanotrådslasrarna direkt på vågledare i kiselchipet, säger Koblmüller.

Grundforskning om vägen till applikationer

För närvarande, de nya galliumarsenid -nanotrådslasrarna producerar infrarött ljus vid en fördefinierad våglängd och under pulserad excitation. "I framtiden vill vi ändra emissionsvåglängden och andra laserparametrar för att bättre kontrollera temperaturstabilitet och ljusutbredning under kontinuerlig excitation i kiselchipsen, "tillägger Finley.

Teamet har just publicerat sina första framgångar i denna riktning. Och de har fastnat för sitt nästa mål:"Vi vill skapa ett elektriskt gränssnitt så att vi kan styra nanotrådarna under elektrisk injektion istället för att förlita oss på externa lasrar, "förklarar Koblmüller.

"Arbetet är en viktig förutsättning för utveckling av högpresterande optiska komponenter i framtida datorer, "summerar Finley." Vi kunde visa att det är möjligt att tillverka kiselchips med integrerade nanotrådlasrar. "