Создан мощный лазер на основе кремния

Устройство, генерирующее когерентное излучение при температурах вплоть до 111 ºC, с пороговой плотностью тока 200 ампер на квадратный сантиметр и выходной энергией более 100 мВт при комнатной температуре, было продемонстрировано сводным коллективом из Университета Арканзаса и Лондонского университетского колледжа (UCL). Их работа открывает возможности создания на кремниевых подложках сложных оптоэлектронных схем с межчиповыми и межсистемными оптическими коммуникациями.

Стремительный прогресс кремниевой фотоники, сочетающей преимущества фотоники и электроники, привел к созданию на протяжении последних 30 лет технологий детектирования и модуляции и множества готовых к использованию пассивных компонентов. Но в перечень достигнутого не попал кремниевый лазер из-за низкой эффективности излучательной рекомбинации, свойственной этому непрямозонному полупроводнику. К лазеру с электрической накачкой предъявляются более жесткие требования,чем к устройствам с оптической накачкой, но и рыночное значение его гораздо больше благодаря возможности полной интеграции в электронику без необходимости дополнения чипов внешними источниками оптического излучения.

В качестве промежуточного решения довольно широкое применение получили лазеры на основе элементов III-V групп, выращиваемые на таких же подложках. Но у этих устройств имеется множество собственных проблем, в том числе разница коэффициентов температурного расширения двух материалов, которая приводит к возникновению линейных дефектов кристаллической структуры, так называемых пронизывающих дислокаций, ухудшающих функционирование лазера.

Несколько лет назад коллектив UCL впервые создал работающий лазер с электрической накачкой квантовых точек InAs/GaAs, эпитаксиально выращенных на подложке из кремния. Для уменьшения плотности пронизывающих дислокаций тогда использовался слой напряженной суперрешетки InAs/GaAs.

Последующие работы по оптимизации такого буферного слоя позволили ученым добиться повышения эффективности лазера путем использования InAlAs/GaAs. В своей последней статье, вышедшей в Electronics Letters, они сообщили о достижении рекордной рабочей температуры для лазеров на квантовых точках InAs/GaAs, напрямую выращенных на кремниевых подложках.

Поскольку температура современных кремниевых схем в процессе их функционирования поднимается до 65 ºC и выше, стабильность работы лазера в таких условиях имеет критическое прикладное значение.

Авторы продолжают оптимизировать буферные слои, минимизируя несовершенства их кристаллической структуры, добиваясь роста производительности и улучшения стабильности лазеров с электрической накачкой.

В течение следующего десятилетия они прогнозируют появление монолитно интегрированных на кремний лазеров на квантовых точках элементов III-V групп, по производительности и срокам эксплуатации приближающихся к лучшим GaAs-лазерам, оперирующим на длинах волн оптических коммуникаций.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365