Nanolasers verticali stampati in 3D: la proposta di POSTECH (con KAIST) per aumentare la densità nei circuiti integrati ottici
I circuiti integrati ottici (o fotonici) puntano a spostare una parte crescente dell’elaborazione e del trasporto dei dati dalla corrente elettrica alla luce, con l’obiettivo di ridurre colli di bottiglia energetici e di banda nelle architetture di calcolo e comunicazione. In questo quadro, i nanolaser su chip sono componenti fondamentali perché generano la radiazione coerente necessaria per trasmissione, modulazione e sensing. Un gruppo di ricerca legato a POSTECH (Pohang University of Science and Technology), con contributi attribuiti anche a KAIST, ha presentato una via alternativa ai flussi fotolitografici classici: stampare direttamente nanostrutture laser in verticale sul substrato, con posizionamento ad alta precisione e densità elevata.
Perché la geometria “verticale” è interessante per i laser on-chip
Molti laser integrati tradizionali su semiconduttore sono realizzati con configurazioni prevalentemente “planari” o comunque distese sul piano del wafer. Questo approccio occupa superficie utile e può introdurre perdite (per esempio per accoppiamenti indesiderati nel substrato o dispersioni legate a vincoli geometrici). La strategia “verticale” proposta dai ricercatori mira a liberare area sul piano e a consentire impilamenti e layout più fitti, migliorando la scalabilità in termini di numero di emettitori per unità di area, un parametro critico quando si parla di integrazione fotonica ad alta complessità.
La tecnica: ultra-fine electrohydrodynamic (EHD) 3D printing e gocce in attolitri
Il cuore della soluzione è una stampa 3D elettroidrodinamica (EHD) “ultra-fine”, descritta come capace di controllare l’espulsione e la deposizione di micro/nano-gocce tramite tensione elettrica. Nelle descrizioni pubbliche si parla di gestione di volumi dell’ordine degli attolitri (10⁻¹⁸ L) e di una modalità assimilabile a “direct-write”: invece di incidere o rimuovere materiale con processi sottrattivi, si costruisce la nanostruttura nel punto desiderato, riducendo la dipendenza da maschere e passaggi di etching. Questo è rilevante perché, nella micro/nanofabbricazione ottica, la libertà di geometria e posizionamento spesso si scontra con le regole (e i costi) della litografia.
Materiali: perovskiti come sorgenti luminose ad alta efficienza e nanowire “pillar-shaped”
Per la parte attiva del laser, il team ha lavorato su perovskiti (famiglia di semiconduttori nota per le buone proprietà di emissione). Nelle immagini e nella descrizione tecnica riportate, compaiono nanostrutture tipo “pilastro/nanowire” realizzate con diverse composizioni di perovskite (nelle cronache si citano sia formulazioni inorganiche come CsPbI₃ e CsPbCl₃, sia varianti organo-alogenuri come MAPbI₃ / MAPbBr₃ / MAPbCl₃). L’obiettivo è ottenere micro/nanocavità in grado di sostenere l’azione laser su dimensioni molto ridotte, in un formato più integrabile in array ad alta densità.
Qualità cristallina e superfici lisce: la parte “invisibile” che decide le perdite ottiche
Quando si scende in scala sub-micrometrica, rugosità e difetti superficiali diventano determinanti perché aumentano scattering e perdite. Per questo, nelle comunicazioni sul lavoro viene enfatizzata la combinazione tra stampa EHD e controllo della cristallizzazione in fase vapore (citata come vapor-phase crystallization / solvent engineering), con l’obiettivo di arrivare a nanostrutture più uniformi e con orientamento cristallino vicino al monocristallo. In termini pratici, una superficie più regolare può migliorare il confinamento della luce e la stabilità dell’emissione laser.
Emissione regolabile: variare l’altezza per controllare la lunghezza d’onda
Un aspetto applicativo interessante è la possibilità di regolare l’emissione intervenendo sui parametri geometrici. Nella descrizione della ricerca viene indicato che la lunghezza d’onda (e quindi il “colore” emesso) può essere modulata variando l’altezza delle strutture stampate, senza dover riprogettare ogni volta una maschera litografica o cambiare completamente flusso di processo. Se confermato e industrializzato, questo tipo di “tuning by geometry” potrebbe facilitare la creazione di array con emissioni differenziate sullo stesso chip.
Dimostrazione applicativa: pattern di sicurezza ottica e lettura con strumentazione dedicata
I ricercatori riportano anche una dimostrazione orientata alla sicurezza: pattern basati su emissione laser che non risultano leggibili in condizioni standard e richiedono strumenti ottici per essere rilevati. È un filone che incrocia la fotonica integrata con concetti di autenticazione e anti-contraffazione, dove la complessità di fabbricazione e l’accesso alla corretta modalità di lettura diventano parte del “meccanismo di sicurezza”.
Dove si colloca rispetto alla filiera dei PIC: integrazione, resa e compatibilità di processo
Per passare da una dimostrazione di laboratorio a un componente adottabile nei flussi di produzione dei photonic integrated circuits, restano temi tipici: ripetibilità dimensionale su grandi aree, controllo statistico della variabilità tra dispositivi, compatibilità termica/chimica con i processi CMOS o con piattaforme III-V/Si, e stabilità nel tempo dei materiali (le perovskiti, in molte applicazioni, richiedono strategie di incapsulamento e controllo ambientale). La stampa EHD, d’altra parte, è oggetto di una letteratura ampia come tecnica di “printing” ad alta risoluzione per elettronica e micro/nanostrutture, e viene studiata anche per estendere la libertà di design dove litografia ed etching sono più vincolanti o costosi.
