Des physiciens de l'Université technique de Munich (TUM) ont développé un nanolaser, mille fois plus fin qu'un cheveu humain. Grâce à un procédé ingénieux, les lasers à nanofils poussent directement sur une puce de silicium, permettant de produire à moindre coût des composants photoniques hautes performances. Cela ouvrira la voie à un traitement des données rapide et efficace avec la lumière à l'avenir.

Toujours plus petit, toujours plus vite, toujours moins cher - depuis le début de l'ère informatique, les performances des processeurs ont doublé en moyenne tous les 18 mois. Il y a 50 ans déjà, Le cofondateur d'Intel, Gordon E. Moore, a prédit cette croissance étonnante des performances. Et la loi de Moore semble être vraie à ce jour.

Mais la miniaturisation de l'électronique atteint aujourd'hui ses limites physiques. "Aujourd'hui déjà, les transistors ne mesurent que quelques nanomètres. De nouvelles réductions sont horriblement chères, " dit le professeur Jonathan Finley, Directeur de l'Institut Walter Schottky à TUM. "L'amélioration des performances n'est réalisable qu'en remplaçant les électrons par des photons, c'est-à-dire des particules de lumière."

Photonique - la solution miracle de la miniaturisation

La transmission et le traitement des données avec la lumière ont le potentiel de briser les barrières de l'électronique actuelle. En réalité, les premières puces photoniques à base de silicium existent déjà. Cependant, les sources de lumière pour la transmission des données doivent être attachées au silicium dans des processus de fabrication compliqués et élaborés. Les chercheurs du monde entier sont donc à la recherche d'approches alternatives.

Les scientifiques de la TU Munich ont maintenant réussi dans cette entreprise :le Dr Gregor Koblmüller du département Semiconductor Quantum-Nanosystems a, en collaboration avec Jonathan Finley, développé un procédé pour déposer des nanolasers directement sur des puces de silicium. Un brevet pour la technologie est en instance.

La croissance d'un semi-conducteur III-V sur du silicium nécessite une expérimentation tenace. "Les deux matériaux ont des paramètres de maille différents et des coefficients de dilatation thermique différents. Cela conduit à des déformations, " explique Koblmüller. " Par exemple, la croissance planaire conventionnelle d'arséniure de gallium sur une surface de silicium entraîne donc un grand nombre de défauts."

L'équipe du TUM a résolu ce problème de manière ingénieuse :en déposant des nanofils autoportants sur du silicium, leurs empreintes ne sont que de quelques nanomètres carrés. Les scientifiques pourraient ainsi empêcher l'apparition de défauts dans le matériau GaAs.

Atome par atome à un nanofil

Mais comment transformer un nanofil en laser à cavité verticale ? Pour générer une lumière cohérente, les photons doivent être réfléchis aux extrémités supérieure et inférieure du fil, amplifiant ainsi la lumière jusqu'à ce qu'elle atteigne le seuil souhaité pour le laser.

Pour remplir ces conditions, les chercheurs ont dû développer un solution pourtant sophistiquée :« L'interface entre l'arséniure de gallium et le silicium ne réfléchit pas suffisamment la lumière. Nous avons donc intégré un miroir supplémentaire - une couche d'oxyde de silicium de 200 nanomètres d'épaisseur que nous avons évaporée sur le silicium, " explique Benedikt Mayer, doctorant dans l'équipe dirigée par Koblmüller et Finley. "De minuscules trous peuvent ensuite être gravés dans la couche de miroir. En utilisant l'épitaxie, les nanofils semi-conducteurs peuvent ensuite être développés atome par atome à partir de ces trous."

Ce n'est qu'une fois que les fils dépassent de la surface du miroir qu'ils peuvent se développer latéralement - jusqu'à ce que le semi-conducteur soit suffisamment épais pour permettre aux photons de se déplacer d'avant en arrière pour permettre une émission stimulée et un effet laser. "Ce procédé est très élégant car il nous permet de positionner les lasers à nanofils directement également sur les guides d'ondes de la puce de silicium, " dit Koblmüller.

Recherche fondamentale sur la voie des applications

Actuellement, les nouveaux lasers à nanofils à l'arséniure de gallium produisent une lumière infrarouge à une longueur d'onde prédéfinie et sous excitation pulsée. « À l'avenir, nous souhaitons modifier la longueur d'onde d'émission et d'autres paramètres laser pour mieux contrôler la stabilité de la température et la propagation de la lumière sous excitation continue dans les puces de silicium, " ajoute Finley.

L'équipe vient de publier ses premiers succès dans ce sens. Et ils ont jeté leur dévolu sur leur prochain objectif :« Nous voulons créer une interface électrique pour pouvoir faire fonctionner les nanofils sous injection électrique au lieu de compter sur des lasers externes, " explique Koblmüller.

« Le travail est une condition préalable importante pour le développement de composants optiques performants dans les futurs ordinateurs, " résume Finley. "Nous avons pu démontrer que la fabrication de puces de silicium avec des lasers à nanofils intégrés est possible."