Nuevos láseres de puntos cuánticos compatibles con el silicio son eficientes, duraderos y listos para la fotónica del mundo real sin necesidad de costosos rediseños.

Investigadores de la Universidad de California han desarrollado un método innovador para integrar láseres de puntos cuánticos directamente en circuitos fotónicos de silicio, lo que podría transformar el diseño de dispositivos inteligentes del hogar, pulseras de actividad e incluso laptops. Este avance se centra en cómo hacer que los circuitos fotónicos sean más económicos y funcionales, al evitar la necesidad de rediseñar todo el sistema.

Para lograr este objetivo, el equipo de investigación, liderado por Rosalyn Koscica, implementó tres estrategias clave. Primero, emplearon una configuración de láser en bolsillo para la integración directa. Luego, utilizaron un método de crecimiento en dos etapas que incluye la deposición en fase vapor orgánica metálica y la epitaxia de haz molecular. Por último, introdujeron una técnica de relleno de gap con polímeros que ayuda a reducir la dispersión del haz óptico.

Esta nueva técnica aborda desafíos significativos relacionados con la incompatibilidad de materiales y las ineficiencias de acoplamiento que históricamente han limitado el rendimiento y la escalabilidad de los sistemas fotónicos integrados. Gracias a los esfuerzos combinados, se ha minimizado el espacio inicial entre los componentes, lo que permite que los láseres funcionen de manera confiable en chiplets fotónicos de silicio. Según los investigadores, “las aplicaciones de circuitos integrados fotónicos (PIC) requieren fuentes de luz en chip con un pequeño tamaño para permitir una integración densa de los componentes”.

El novedoso enfoque permite una emisión láser modal única estable en la frecuencia O-band, óptima para comunicaciones de datos en centros de datos y sistemas de almacenamiento en la nube. Además, al integrar los láseres directamente con resonadores en anillo de silicio o utilizando reflectores Bragg distribuidos de nitruro de silicio, se han resuelto problemas relacionados con la alineación y la retroalimentación óptica.

Un hallazgo interesante del estudio es la destacable capacidad de los láseres para operar a altas temperaturas. Koscica menciona que “nuestros láseres QD integrados demostraron una capacidad de láser a altas temperaturas de hasta 105 °C y una vida útil de 6.2 años operando a 35 °C”. Estas métricas de rendimiento indican un nivel de estabilidad térmica que ha sido difícil de lograr en diseños integrados de manera monolítica, lo que abre la puerta a aplicaciones más duraderas en entornos reales, donde las fluctuaciones de temperatura pueden afectar la fiabilidad de los componentes fotónicos. Esto también puede disminuir la necesidad de sistemas de refrigeración activa, que históricamente han incrementado los costos y la complejidad en los diseños anteriores.

En cuanto a la fabricación, este método es adecuado para la producción en gran escala, ya que puede implementarse en fundiciones semiconductoras estándar sin requerir cambios significativos en la arquitectura del chip subyacente. Los investigadores consideran que la técnica es “rentable” y puede aplicarse a una variedad de diseños de chips fotónicos integrados sin necesidad de modificaciones extensivas o complejas. No obstante, el enfoque podría enfrentar desafíos relacionados con la consistencia en obleas grandes y su compatibilidad con sistemas fotónicos comerciales. Además, aunque el éxito en laboratorios controlados es promising, no garantiza un despliegue sencillo en entornos de fabricación masiva.

A pesar de estos desafíos, la combinación de un diseño compacto de láser, la compatibilidad con procesos convencionales y la integración de funcionalidad O-band hacen que este desarrollo sea notable. Desde centros de datos hasta sensores avanzados, esta integración de láser compatible con silicio podría acercar los circuitos fotónicos a una viabilidad en el mercado masivo.