Гибридный кремниевый лазер
Гибридный кремниевый лазер представляет собой полупроводниковый лазер, изготовленный как из кремния групп III-V , так и из полупроводниковых материалов . Гибридный кремниевый лазер был разработан для решения проблемы нехватки кремниевого лазера и обеспечения возможности изготовления недорогих кремниевых оптических устройств для массового производства . 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 можно интегрировать с другими кремниевыми фотонными устройствами.
Физика
[ редактировать ]Гибридный кремниевый лазер представляет собой оптический источник, изготовленный как из кремния , так и из полупроводниковых материалов групп III-V (например, фосфида индия (III) , арсенида галлия (III) ). Он состоит из кремниевого волновода , сплавленного с активной светоизлучающей эпитаксиальной полупроводниковой пластиной III-V. Эпитаксиальная пластина III-V состоит из различных слоев, так что активный слой может излучать свет, когда он возбуждается либо светом, например, лазером, направленным на него; или пропуская через него электричество. Свет, излучаемый активным слоем, попадает в кремниевый волновод из-за их непосредственной близости (расстояние <130 нм), где его можно направить для отражения от зеркал на конце кремниевого волновода, образуя лазерный резонатор . [1] [2]
Изготовить
[ редактировать ]Кремниевый лазер изготавливается с помощью технологии, называемой сваркой пластин с помощью плазмы. Кремниевые волноводы сначала изготавливаются на пластине кремния на изоляторе (SOI). Эту пластину КНИ и пластину III-V без рисунка затем подвергают 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 пластину III-V вытравливают в мезопленку, чтобы обнажить электрические слои в эпитаксиальной структуре . На этих контактных слоях изготовлены металлические контакты, позволяющие электрическому току течь в активную область. [3] [4] [5]
Производство кремния широко используется в электронной промышленности для массового производства недорогих электронных устройств. Кремниевая фотоника использует те же самые технологии электронного производства для создания недорогих интегрированных оптических устройств. Одна из проблем с использованием кремния для оптических устройств заключается в том, что кремний является плохим излучателем света и его нельзя использовать для создания лазера с электрической накачкой. Это означает, что лазеры сначала должны быть изготовлены на отдельной полупроводниковой пластине III-V, а затем индивидуально настроены на каждое кремниевое устройство. Этот процесс является одновременно дорогостоящим и трудоемким, что ограничивает общее количество лазеров, которые можно использовать на одной пластине. кремниевая фотонная схема. Используя эту технику соединения пластин, можно одновременно изготовить множество гибридных кремниевых лазеров на кремниевой пластине, согласованных с кремниевыми фотонными устройствами.
Использование
[ редактировать ]Потенциальные применения, упомянутые в ссылках ниже, включают изготовление многих, возможно, сотен гибридных кремниевых лазеров на кристалле и использование кремниевой фотоники для объединения их вместе для формирования оптических каналов с высокой пропускной способностью для персональных компьютеров, серверов или объединительных плат. Эти лазеры в настоящее время производятся на кремниевых пластинах диаметром 300 мм на заводах по производству КМОП-технологий в объемах более одного миллиона в год. [6]
Низкие потери в кремниевых волноводах означают, что эти лазеры могут иметь очень узкую ширину линии (<1 кГц). [7] что открывает новые возможности применения, такие как когерентные передатчики, оптические лидары , [8] оптические гироскопы и другие приложения. [9] Эти лазеры можно использовать для накачки нелинейных устройств и создания оптических синтезаторов со стабильностью 1 часть из 10. 17 . [10]
История
[ редактировать ]- Импульсная генерация с оптической накачкой, впервые продемонстрированная группой Джона Э. Бауэрса в UCSB.
- Непрерывная генерация с оптической накачкой, продемонстрированная Intel и UCSB
- Непрерывная электрическая генерация, продемонстрированная UCSB и Intel
- Одноволновые лазеры с распределенной обратной связью на кремнии [11]
- Короткоимпульсные лазеры с синхронизацией режимов на кремнии [12]
- Квантовые каскадные лазеры на кремнии [13]
- Межзонные каскадные лазеры на кремнии [14]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Гибридный кремниевый эванесцентный лазер, изготовленный с кремниевым волноводом и смещенными квантовыми ямами III-V», опубликовано в Optics Express, 2005.
- ^ «Гибридный затухающий лазер AlGaInAs-кремний непрерывного действия», опубликовано в Photonic Technology Letters, 2006.
- ^ «Кремниевая фотоника Intel®: как это работает? | Intel» .
- ^ «Дом | Дачи» .
- ^ «Гибридные интегрированные платформы для кремниевой фотоники», Материалы, 3 (3), 1782-1802, 12 марта 2010 г.
- ^ «Гетерогенно-интегрированная фотоника», приглашенный доклад, журнал IEEE Nanotechnology Magazine 17, апрель (2019 г.).
- ^ «Учебное пособие: Гетерогенная интеграция Si/III-V для полупроводниковых лазеров с узкой шириной линии», APL Photonics 4, 111101 (2019).
- ^ «Гетерогенное кремниевое фотонное зондирование для автономных автомобилей», приглашенный доклад, Optics Express 27 (3), 3642 (2019).
- ^ «Высокопроизводительные фотонные интегральные схемы на кремнии», приглашенный доклад, JSTQE 25 (5) 8300215, сентябрь 2019 г.
- ^ «Интегрированный фотонный синтезатор оптических частот», Nature, 557, 81-85, 25 апреля 2018 г.
- ^ «Кремниевый эванесцентный лазер с распределенной обратной связью», Optics Express, 16 (7), 4413-4419, март 2008 г.
- ^ «Кремниевые затухающие лазеры с синхронизацией мод», Optics Express, 15 (18), 11225-11233, сентябрь 2007 г.
- ^ «Квантовый каскадный лазер на кремнии», Optica, (3)5, 545-551, 20 мая 2016 г.
- ^ «Межполосный каскадный лазер на кремнии», Optica, (5)8, 996-1005, 16 августа 2018 г.
| Основные типы |
|
|---|---|
| Гибридные типы | |
| Другие типы | |
| Теория | |
| Материалы |
|
