Integren làsers infrarojos en silici per desenvolupar els futurs xips fotònics

En l’actual era de digitalització accelerada, està augmentant significativament la demanda de circuits fotònics integrats (PICs, per les seves sigles en anglès), els quals utilitzen fotons en lloc d’electrons per processar informació. Malgrat aquesta demanda creixent, impulsada per les seves prometedores aplicacions en sensors, telecomunicacions i monitoratge ambiental, els PICs encara es troben en plena fase de desenvolupament, on diversos reptes clau persisteixen. Un dels principals és la integració de fonts de llum infraroja sobre silici, la matèria primera dels xips fotònics. Aquest pas sovint es veu obstaculitzat per incompatibilitats entre el silici i els materials làser convencionals, cosa que limita la miniaturització dels dispositius i la seva fabricació a gran escala.

Ara, els investigadors de l’ICFO, en Hamed Dehghanpour Baruj, el Dr. Guy L. Whitworth, el Dr. Nima Taghipour, la Dra. Mariona Dalmases, el Dr. Debranjan Mandal, dirigits pel Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, han descobert una manera d’integrar fonts làser infraroges directament sobre una plataforma de silici. L’estudi, publicat a Advanced Optical Materials, supera aquest antic obstacle mitjançant l’ús de punts quàntics col·loidals (CQDs, per les seves sigles en anglès) processats en solució com a emissors de llum. La llum resultant presenta una longitud d’ona molt específica i estreta, que es pot ajustar dins d’una àmplia finestra espectral (1580–1680 nm), cobrint les bandes clau de les telecomunicacions.

“Tradicionalment, ha estat molt difícil col·locar materials emissors de llum directament sobre silici perquè les seves estructures cristal·lines no coincideixen, cosa que genera defectes que finalment malmeten el làser”, explica en Hamed Dehghanpour Baruj, primer autor de l’article. “Els CQDs processats en solució són essencialment una ‘tinta’ líquida que es pot dipositar sobre gairebé qualsevol superfície, inclòs el silici, sense patir els problemes típics associats als cristalls”, afegeix.

Per millorar i controlar encara més l’emissió de llum, els investigadors van introduir una capa de diòxid de titani (TiO₂) entre el substrat de silici i la pel·lícula de CQDs, la qual es va estructurar periòdicament, formant una reixeta. Aquesta reixeta actuava com una sèrie de miralls distribuïts que reflecteixen selectivament una longitud d’ona específica de la llum, donant lloc al que es coneix com un làser de retroalimentació distribuïda (DFB, per les seves sigles en anglès).

“En el nostre disseny específic, el patró està dissenyat per tal que la llum surti pel costat del dispositiu, la qual cosa facilita la connexió amb altres components en un xip pla”, assenyala Dehghanpour. “Fins on sabem, aquesta és la primera demostració d’un làser DFB d’emissió lateral basat en CQDs processats en solució i integrat directament sobre una plataforma de silici”.

Aquest disseny estructural és intrínsecament generalitzable, ja que es pot estendre a altres tipus de CQDs, cosa que permetria l’emissió làser en un rang espectral més ampli. Així, la tecnologia podria anar més enllà de les fonts de llum integrades en xip per a telecomunicacions i fotònica de silici, obrint també la porta al desenvolupament de sensors integrats per a detecció biomèdica o monitoratge ambiental.

Referència:

H. D. Baruj, G. L. Whitworth, N. Taghipour, M. Dalmases, D. Mandal, and G. Konstantatos, “Infrared Colloidal Quantum Dot Edge Emitting Lasers Integrated on Silicon.” Advanced Optical Materials (2026): e03357.

DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202503357

Agraïments:

The authors acknowledge financial support from the European Union (IRQUAL,101189447). The study also received funding from PDC2023-145903-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/ 501100011033 by the European Union “NextGenerationEU/PRTR”, by MCIN with funding from European Union NextGenerationEU(PRTR-C17.I1), and by Generalitat de Catalunya. The authors were thankful to Johann Osmond for performing cross-sectional SEM characterization.