Следующим важным этапом на пути развития электроники обещает стать переход к кремниевой фотонике, когда медные проводники во внутричиповых интерфейсах уступят место оптическим каналам связи. Для этого будут использоваться полупроводниковые лазеры в инфракрасном диапазоне, благо для инфракрасного излучения полупроводник прозрачен. Попросту говоря, для прокладки оптических каналов связи внутри процессора не нужно будет изобретать что-то особенное. Традиционный техпроцесс CMOS для этого вполне годится. Переход на «оптику» снизит энергопотребление процессоров (и уменьшит объёмы рассеиваемого ими тепла), а также ускорит обмен данными. Проблема кроется в другом – нужно научиться выпускать полупроводниковые лазеры в ходе обычных циклов производства полупроводников на кремниевой пластине.
Сегодня наиболее перспективными для интеграции в чипы считаются полупроводниковые лазеры на квантовых точках (Quantum Dot Laser). Такие лазеры в качестве активной среды в излучающей области используют квантовые точки. Удобство данных структур в том, что в зависимости от выбора размеров квантовой точки можно выбирать длину волны лазера и, тем самым, обеспечить уплотнение каналов передачи данных. Также лазеры на квантовых точках способны работать в расширенном диапазоне температур без ухудшения рабочих характеристик.
В качестве материалов для лазеров на квантовых точках принято использовать комбинации материалов из III–V групп периодической таблицы Менделеева. Это арсенид индия и арсенид галлия (InAs/GaAs). Сложным моментом в производстве подобных лазеров являлось то, что в области контакта выращиваемого лазера и кремния (в качестве подложки) возникает много дефектов. Дефекты значительно сокращают срок службы лазера и являются препятствием для внедрения технологии в массовое производство. Этот барьер, как недавно сообщила группа британских учёных, можно преодолеть с помощью специально разработанного зародышевого слоя (Nucleation Layer), нанесённого на кремниевую подложку, для выращивания на нём полупроводникового лазера.
Отметим, подобный подход и материалы используются во всех лабораториях мира, работающих над проблемами производства полупроводниковых лазеров. Уникальность же нового подхода состоит в том, что впервые получен очень интересный результат. Выпущенный с использованием новых методик 1,3 мкм (1300 нм) лазер на мощности излучения 105 мВт показал свыше 100 000 часов наработки на отказ (использовалось ускоренное старение – работа на запредельных мощностях). Это больше 10 лет эксплуатации, что соответствует обычному в телекоммуникациях времени использования оборудования до модернизации.
Добавим, что в ходе экспериментов лазер нагревался до 120°С и оставался работоспособным. На новом этапе разработки учёные будут пытаться выращивать лазеры с разной длиной волны и изучать возможность их интеграции в полупроводниковые цепи.
Комментарии