Гибридный кремниевый лазер - Hybrid silicon laser

А гибридный кремниевый лазер полупроводник лазер изготовлен из обоих кремний и группа III-V полупроводниковые материалы. Гибридный кремниевый лазер был разработан, чтобы решить проблему отсутствия кремниевого лазера, чтобы можно было производить недорогой, массово производимый кремний. оптические устройства. Гибридный подход использует преимущества светоизлучающих свойств полупроводниковых материалов III-V в сочетании с технологической зрелостью кремния для изготовления лазеров с электрическим приводом на кремнии. вафля которые можно интегрировать с другими кремний фотонный устройств.

Физика

Гибридный кремниевый лазер - это оптический источник, изготовленный из обоих кремний и полупроводниковые материалы групп III-V (например, Фосфид индия (III), Арсенид галлия (III) ). Он состоит из кремния волновод сплавлен с активной светоизлучающей эпитаксиальной полупроводниковой пластиной группы III-V. Эпитаксиальная пластина III-V спроектирована с различными слоями, так что активный слой может излучать свет, когда он возбуждается, либо сияющим светом, например а лазер на него; или пропуская через него электричество. Излучаемый свет из активного слоя попадает в кремниевый волновод из-за их непосредственной близости (расстояние <130 нм), где он может быть направлен для отражения от зеркал на конце кремниевого волновода для формирования лазерного излучения. полость.[1][2]

Изготовление

Гибридный кремниевый лазер изготавливается с помощью технологии, называемой плазменным соединением пластин. Кремниевые волноводы сначала изготавливаются на кремний на изоляторе (SOI) вафля. Затем эта КНИ-пластина и пластина III-V без рисунка подвергаются воздействию кислорода. плазма перед прессованием при низкой (для производства полупроводников) температуре 300 ° C в течение 12 часов. В этом процессе две пластины соединяются вместе. Затем пластина III-V вытравливается в столешницу, чтобы обнажить электрические слои в эпитаксиальная структура. На этих контактных слоях изготовлены металлические контакты, пропускающие электрический ток в активную область.[3][4] [5]

Производство и изготовление кремния широко используется в электронной промышленности для массового производства недорогих электронных устройств. Кремниевая фотоника использует те же технологии электронного производства для изготовления недорогих интегрированных оптических устройств. Одна из проблем, связанных с использованием кремния в оптических устройствах, заключается в том, что кремний является плохим излучателем света и не может использоваться для создания лазера с электрической накачкой. Это означает, что лазеры сначала должны быть изготовлены на отдельной полупроводниковой пластине III-V, а затем индивидуально согласованы с каждым кремниевым устройством. Этот процесс является как дорогостоящим, так и трудоемким, ограничивая общее количество лазеров, которые можно использовать на кремниевый фотонный контур. Используя эту технику соединения пластин, можно одновременно изготавливать на кремниевой пластине многие гибридные кремниевые лазеры, при этом все они ориентированы на кремниевые фотонные устройства.

Использует

Потенциальные применения, указанные в ссылках ниже, включают изготовление многих, возможно, сотен гибридных кремниевых лазеров на кристалле и использование кремниевой фотоники для их объединения для формирования оптических каналов с высокой пропускной способностью для персональных компьютеров, серверов или базовых плат. Эти лазеры в настоящее время производятся на кремниевых пластинах диаметром 300 мм на литейных заводах КМОП в объемах более одного миллиона в год.[6]

Низкие потери кремниевых волноводов означают, что эти лазеры могут иметь очень узкую ширину линии (<1 кГц).[7] что открывает новые возможности, такие как когерентные передатчики, оптические Лидары,[8] оптические гироскопы и другие приложения.[9] Эти лазеры могут быть использованы для накачки нелинейных устройств для создания оптических синтезаторов со стабильностью 1 часть из 1017.[10]

История

  • Импульсная генерация с оптической накачкой впервые продемонстрирована Джон Э. Бауэрс 'группа в UCSB
  • Непрерывная генерация с оптической накачкой продемонстрирована Intel и UCSB
  • Непрерывная генерация с электрическим приводом продемонстрирована UCSB и Intel
  • Одноволновые лазеры с распределенной обратной связью на кремнии[11]
  • Лазеры с синхронизацией коротких импульсов на кремнии[12]
  • Квантовые каскадные лазеры на кремнии[13]
  • Межзонные каскадные лазеры на кремнии[14]

Рекомендации

  1. ^ "Гибридный кремниевый затухающий лазер с кремниевым волноводом и офсетными квантовыми ямами III-V", опубликованный в Optics Express, 2005.
  2. ^ "Непрерывный гибридный AlGaInAs-кремниевый Evanescent Laser", опубликованный в Photonic Technology Letters, 2006.
  3. ^ https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/silicon-photonics/silicon-photonics-overview.html
  4. ^ https://optoelectronics.ece.ucsb.edu/
  5. ^ «Гибридные интегрированные платформы для кремниевой фотоники», Материалы, 3 (3), 1782-1802, 12 марта 2010 г.
  6. ^ «Гетерогенно интегрированная фотоника», приглашенный доклад, журнал IEEE Nanotechnology, 17 апреля (2019).
  7. ^ «Учебное пособие: гетерогенная интеграция Si / III-V для полупроводниковых лазеров с узкой шириной линии», APL Photonics 4, 111101 (2019).
  8. ^ «Фотонное зондирование гетерогенного кремния для автономных автомобилей», специальный доклад, Optics Express 27 (3), 3642 (2019).
  9. ^ «Высокопроизводительные фотонные интегральные схемы на кремнии», специальный доклад, JSTQE 25 (5) 8300215, сентябрь 2019 г.
  10. ^ "Интегрированный фотонный синтезатор оптических частот", Nature, 557, 81-85, 25 апреля 2018 г.
  11. ^ «Кремниевый эвансцентный лазер с распределенной обратной связью», Optics Express, 16 (7), 4413-4419, март 2008 г.
  12. ^ Кремниевые Evanescent Lasers с синхронизацией мод, Optics Express, 15 (18), 11225-11233, сентябрь 2007 г.
  13. ^ «Квантово-каскадный лазер на кремнии», Optica, (3) 5, 545-551, 20 мая 2016 г.
  14. ^ «Межзонный каскадный лазер на кремнии», Optica, (5) 8, 996-1005, 16 августа 2018 г.