Hybrydowy laser krzemowy

Hybrydowy laser krzemowy to laser półprzewodnikowy wykonany zarówno z krzemu , jak i materiałów półprzewodnikowych grupy III-V . Hybrydowy laser krzemowy został opracowany, aby rozwiązać problem braku lasera krzemowego, aby umożliwić wytwarzanie tanich, masowo produkowanych krzemowych urządzeń optycznych . Podejście hybrydowe wykorzystuje właściwości emitowania światła materiałów półprzewodnikowych III-V w połączeniu z dojrzałością procesową krzemu w celu wytworzenia napędzanych elektrycznie laserów na płytce krzemowej, którą można zintegrować z innymi krzemowymi fotonikami urządzenia.

Fizyka

Hybrydowy laser krzemowy jest źródłem optycznym wykonanym zarówno z krzemu , jak i materiałów półprzewodnikowych grupy III-V (np. fosforek indu(III) , arsenek galu(III) . Składa się z krzemowego falowodu połączonego z aktywną, emitującą światło epitaksjalną płytką półprzewodnikową III-V. Płytka epitaksjalna III-V jest zaprojektowana z różnymi warstwami, tak że warstwa aktywna może emitować światło, gdy jest wzbudzana przez świecące światło, np. laser na to; lub przepuszczając przez nie prąd. Emitowane światło z warstwy aktywnej łączy się z krzemowym falowodem ze względu na ich bliskość (separacja <130 nm), gdzie może być kierowane w celu odbicia od luster na końcu falowodu krzemowego, tworząc wnękę lasera .

Wytwarzać

Laser krzemowy jest wytwarzany techniką zwaną spajaniem płytek wspomaganym plazmą. Falowody krzemowe są najpierw wytwarzane na krzemowej na izolatorze (SOI). Ta płytka SOI i płytka III-V bez wzoru są następnie wystawiane na działanie plazmy tlenowej przed sprasowaniem razem w niskiej (do produkcji półprzewodników) temperaturze 300°C przez 12 godzin. Ten proces łączy ze sobą dwa wafle. Płytka III-V jest następnie wytrawiana w płaskowyżu, aby odsłonić warstwy elektryczne w strukturze epitaksjalnej . Metalowe styki są wytwarzane na tych warstwach kontaktowych, umożliwiając przepływ prądu elektrycznego do obszaru aktywnego.

Produkcja i wytwarzanie krzemu jest szeroko stosowane w przemyśle elektronicznym do masowej produkcji tanich urządzeń elektronicznych. Fotonika krzemowa wykorzystuje te same technologie produkcji elektroniki do wytwarzania tanich zintegrowanych urządzeń optycznych. Jednym z problemów związanych z użyciem krzemu w urządzeniu optycznym jest to, że krzem jest słabym emiterem światła i nie można go użyć do wytworzenia lasera pompowanego elektrycznie. Oznacza to, że lasery muszą najpierw zostać wyprodukowane na oddzielnej płytce półprzewodnikowej III-V, zanim zostaną indywidualnie dopasowane do każdego urządzenia krzemowego, w procesie, który jest zarówno kosztowny, jak i czasochłonny, co ogranicza całkowitą liczbę laserów, które można zastosować na krzemowy obwód fotoniczny. Dzięki zastosowaniu tej techniki łączenia płytek wiele hybrydowych laserów krzemowych może być wytwarzanych jednocześnie na płytce krzemowej, wszystkie dopasowane do krzemowych urządzeń fotonicznych.

Używa

Potencjalne zastosowania wymienione w poniższych źródłach obejmują wytwarzanie wielu, być może setek hybrydowych laserów krzemowych na matrycy i wykorzystanie fotoniki krzemowej do łączenia ich razem w celu utworzenia łączy optycznych o dużej przepustowości dla komputerów osobistych, serwerów lub tylnych płaszczyzn. Lasery te są obecnie produkowane na płytkach krzemowych o średnicy 300 mm w odlewniach CMOS w ilościach przekraczających milion rocznie.

Niskie straty falowodów krzemowych oznaczają, że lasery te mogą mieć bardzo wąskie szerokości linii (<1 kHz), co otwiera nowe zastosowania, takie jak koherentne nadajniki, optyczne LIDAR-y , żyroskopy optyczne i inne zastosowania. Lasery te mogą być używane do pompowania urządzeń nieliniowych w celu wykonania syntezatorów optycznych o stabilności 1 części na 10 ¹⁷ .

Historia

• Pulsacyjne pompowane optycznie lasery po raz pierwszy zademonstrowane przez grupę Johna E. Bowersa z UCSB
• Laser pompowany optycznie z falą ciągłą zademonstrowany przez firmę Intel i UCSB
• Laser napędzany elektrycznie falą ciągłą zademonstrowany przez UCSB i Intel
• Lasery ze sprzężeniem zwrotnym o pojedynczej długości fali na krzemie
• Lasery blokowane w trybie krótkich impulsów na krzemie
• Kwantowe lasery kaskadowe na krzemie
• Międzypasmowe lasery kaskadowe na krzemie