Инженеры, занимающиеся разработкой современных микропроцессоров и других чипов, знают о существовании одного из узких мест в архитектуре — ограниченной пропускной способности шин, по которым ведется обмен данными внутри многоядерных процессоров. Так же известен и метод обхода этой проблемы, который заключается в замене электрических проводников оптическими линиями передачи данных. Более того, кроме увеличения быстродействия чипов такой метод подразумевает снижение количества потребляемой чипом энергии, что делает его более эффективным. Однако, внедрение такого метода упирается в очередную проблему — в отсутствие источника света, лазера, изготовленного из кремния или другого полупроводникового материала, совместимого с существующими технологиями производства.
Свое решение вышеописанных проблем предлагает группа европейских исследователей, которая создала лазер из сплава германия-олова, который может использоваться в качестве источника света на кристалле чипа. Германий, олово, как и кремний, сходят в IV группу элементов, что означает, что кристаллические слои этих материалов могут быть выращены непосредственно на поверхности кремниевой пластины. И это делает новый германиево-оловянный лазер совместимым с существующими технологиями производства полупроводниковых приборов.
Согласно работе, опубликованной в журнале Nature Photonics, опытный образец германиево-оловянного лазера работает пока еще только при температуре -183 градуса по шкале Цельсия, а в качестве накачки используется внешний источник света. Но исследователи уже начали работу по созданию очередного варианта полупроводникового лазера с электрической накачкой, который будет способен работать при комнатной температуре.
Следует отметить, что созданный европейскими учеными полупроводниковый лазер является не первым подобным устройством. В свое время специалисты компаний Intel и Luxtera создали оптические коммуникационные каналы на чипе, используя гибридные лазеры на основе кремния и фосфида индия. Но, некоторые специалисты в этой области полагают, что для условий массового производства более подходят лазеры на основе материалов, подобных кремнию, в число которых входят олово и германий. Это позволит сделать производство более рентабельным и позволит уменьшить количество дефектов при производстве.
Но, проблема с германием и кремнием заключается в том, что эти материалы очень плохо проявляют себя с точки зрения излучения ими света. У этих материалов имеется характеристика, называемая косвенной запрещенной зоной (indirect band gap) из-за наличия которой энергия электронов, возбужденных электричеством или светом, переходит в тепло, а не в энергию излучаемых фотонов при переходе электронов на более низкий энергетический уровень.
Некоторым группам ученым удалось побороть этот эффект, сместив запрещенную зону, покрыв нанопроводники из кремния слоем фосфора или подвергая материал механическому напряжению. А группе, в состав которой вошли ученые из института Forschungszentrum Juelich, Германия и института Пола Шеррера, Швейцария, удалось добиться такого же самого эффекта, сплавив германий с небольшим количеством, около 9 процентов, олова. И из этого материала они сделали свой лазер, выращивая слой за слоем структуру из германиево-оловянного сплава на слое чистого германия, выращенного, в свою очередь, на подложке из чистого кремния.
Новый лазер излучает свет с длиной волны около 3 микрометров. Такая длина волны позволит применять такие лазеры не только в области коммуникаций, но и для производства датчиков газовых анализаторов, встроенных в чип, и других датчиков медицинского назначения, которые смогут определять уровни сахара в крови и другие параметры при помощи метода спектроскопического анализа.