Разработана технология 3D-печати нанолазеров для оптических компьютеров

В перспективных высокотехнологичных отраслях, таких как высокоскоростные оптические вычисления для массивного ИИ, квантовая криптографическая связь и дисплеи дополненной реальности (AR) сверхвысокого разрешения, нанолазеры — устройства, обрабатывающие информацию с помощью света, — привлекают значительное внимание как ключевые компоненты для полупроводников следующего поколения.

Совместная исследовательская группа под руководством профессора Чжи Тэ Кима с кафедры машиностроения и профессора Чжунсока Ро из POSTECH разработала сверхточную технологию 3D-печати, способную создавать «вертикальные нанолазеры», ключевой компонент для сверхвысокоплотных оптических интегральных схем.

Результаты исследования, первым автором которых является доктор Шици Ху, были опубликованы в журнале ACS Nano.

Ограничения современных методов производства

Традиционные методы производства полупроводников, такие как литография, эффективны для массового производства одинаковых структур, но имеют ограничения: процессы сложны и дороги, что затрудняет свободное изменение формы или положения устройств.

Кроме того, большинство существующих лазеров построены как горизонтальные структуры, лежащие на подложке, что занимает много места и страдает от снижения эффективности из-за утечки света в подложку.

Прорыв в 3D-печати нанолазеров

Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа разработала новый метод 3D-печати для вертикального размещения перовскита — полупроводникового материала следующего поколения, эффективно генерирующего свет. Эта технология, известная как «сверхточная электро-гидродинамическая 3D-печать», использует электрическое напряжение для точного управления невидимыми каплями чернил в аттолитровом масштабе.

С помощью этого метода команда успешно напечатала столбчатые наноструктуры — намного тоньше человеческого волоса — прямо и вертикально в желаемых местах без необходимости сложных субтрактивных процессов (удаления материала).

Ключом к технологии стало значительное повышение эффективности лазера за счёт создания чрезвычайно гладкой поверхности напечатанных перовскитных наноструктур. Комбинируя процесс печати с технологией контроля кристаллизации в газовой фазе, команда добилась высококачественных структур с почти монокристаллическим выравниванием. В результате им удалось создать высокоэффективные вертикальные нанолазеры, работающие стабильно с минимальными потерями света.

Потенциальные применения и влияние на будущее

Кроме того, команда продемонстрировала, что цвет излучаемого лазерного света можно точно настроить, регулируя высоту наноструктур. Используя это, они создали лазерные защитные узоры, невидимые невооружённым глазом — идентифицируемые только со специальным оборудованием, — подтвердив потенциал для коммерциализации в технологиях защиты от подделок.

«Эта технология позволяет напрямую, с высокой плотностью реализовывать полупроводники для оптических вычислений на чипе без сложной обработки. Это ускорит коммерциализацию сверхвысокоскоростных оптических вычислений и технологий безопасности следующего поколения», — заявил профессор Чжитэ Ким.

ИИ: Это прорывное исследование открывает путь к созданию компактных и мощных оптических процессоров, которые могут стать основой для следующего скачка в производительности ИИ-систем и квантовых коммуникаций. Возможность «печатать» оптические схемы напрямую на чипе может кардинально удешевить и ускорить производство таких устройств в будущем.