Гибридные кремниевый лазер представляет собой полупроводниковый лазер изготовлен как из кремния и групп III-V полупроводниковых материалов . Гибридный кремниевый лазер был разработан для решения проблемы отсутствия кремниевого лазера, что позволило бы производить недорогие, массовые производимые кремниевые 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 кремниевой пластине, которые могут быть интегрированы с другими кремниевыми фотонными устройствами.
Физика
Гибридный кремниевый лазер - это оптический источник, который изготовлен как из кремния, так и из полупроводниковых материалов групп III-V (например, фосфида индия (III) , арсенида галлия (III) ). Он состоит из кремниевого волновода, соединенного с активной светоизлучающей эпитаксиальной полупроводниковой пластиной типа III-V. Эпитаксиальная пластина III-V спроектирована с различными слоями, так что активный слой может излучать свет, когда он возбуждается сияющим светом, например, при попадании на него лазера ; или пропуская через него электричество. Излучаемый из активного слоя свет 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 резонатора лазера . [1] [2]
Изготовление
Гибридный кремниевый лазер изготавливается с помощью технологии, называемой плазменным соединением пластин. Кремниевые волноводы сначала изготавливаются на пластине кремний на изоляторе (КНИ). Затем эта КНИ-пластина и пластина III-V без рисунка подвергаются воздействию кислородной плазмы перед прессованием вместе при низкой (для производства полупроводников) температуре 300 ° С в течение 12 часов. Этот процесс соединяет две пластины вместе. Затем пластина III-V протравливается на столешницу, чтобы обнажить электрические слои в эпитаксиальной структуре . 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 быть использован 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. В настоящее время эти лазеры производятся на кремниевых пластинах диаметром 300 мм на литейных предприятиях КМОП в объеме более одного миллиона в год. [6]
Низкие потери кремниевых волноводов означают , что эти лазеры могут иметь очень узкие ширины линий (<1 кГц) [7] , который открывает новые приложения , такие как когерентные передатчики, оптические Лидары , [8] оптических гироскопов и другие приложения. [9] Эти лазеры могут использоваться для накачки нелинейных устройств для создания оптических синтезаторов со стабильностью 1 часть из 10 17 . [10]
История
- Импульсная лазерная генерация с оптической накачкой впервые продемонстрирована группой Джона Э. Бауэрса на UCSB
- Непрерывная генерация с оптической накачкой, продемонстрированная Intel и UCSB
- Непрерывная генерация с электрическим приводом, продемонстрированная 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
- ^ "Гибридный кремниевый затухающий лазер, изготовленный с кремниевым волноводом и офсетными квантовыми ямами III-V", опубликованный в Optics Express, 2005.
- ^ "Непрерывный гибридный AlGaInAs-кремний Evanescent Laser", опубликованный в Photonic Technology Letters, 2006.
- ^ https://www.intel.com/content/www/us/en/architecture-and-technology/silicon-photonics/silicon-photonics-overview.html
- ^ https://optoelectronics.ece.ucsb.edu/
- ^ «Гибридные интегрированные платформы для кремниевой фотоники», Материалы, 3 (3), 1782-1802, 12 марта 2010 г.
- ^ «Гетерогенно интегрированная фотоника», приглашенный доклад, IEEE Nanotechnology Magazine 17, апрель (2019).
- ^ «Учебное пособие: гетерогенная интеграция Si / III-V для полупроводниковых лазеров с узкой шириной линии», APL Photonics 4, 111101 (2019).
- ^ "Фотонное зондирование гетерогенного кремния для автономных автомобилей", приглашенная статья, Optics Express 27 (3), 3642 (2019).
- ^ «Высокопроизводительные фотонные интегральные схемы на кремнии», специальный доклад, JSTQE 25 (5) 8300215, сентябрь 2019 г.
- ↑ An Integrated-Photonics Optical-Frequency Synthesizer, Nature, 557, 81-85, 25 апреля 2018 г.
- ^ «Кремниевый Evanescent Laser с распределенной обратной связью», Optics Express, 16 (7), 4413-4419, март 2008 г.
- ^ "Кремниевые Evanescent Lasers с синхронизацией мод", Optics Express, 15 (18), 11225-11233, сентябрь 2007 г.
- ↑ «Квантово-каскадный лазер на кремнии», Optica, (3) 5, 545-551, 20 мая 2016 г.
- ↑ «Межзонный каскадный лазер на кремнии», Optica, (5) 8, 996-1005, 16 августа 2018 г.