Laserøer:Forsker viser, hvordan man fuldt ud integrerer VCSEL'er på silicium

En forsker ved University of California, Santa Barbara, har demonstreret en ny metode til fremstilling af vertikal-kavitet overflade-emitterende lasere (VCSEL'er) på silicium, et betydeligt fremskridt, der kan føre til integration af lasere på siliciumchips til forskellige applikationer.

Forskeren, professor John Bowers, og hans team ved UCSB's Department of Electrical and Computer Engineering opnåede bedriften ved at bruge en proces kaldet "dampfase-epitaksi" til at afsætte lag af halvledere på et siliciumsubstrat, hvilket skaber VCSEL-strukturen direkte på siliciumet oblat.

VCSEL'er er små lasere, der udsender lys vinkelret på overfladen af ​​halvlederchippen, hvilket gør dem velegnede til applikationer inden for optisk kommunikation, sansning, billeddannelse og skærme. Imidlertid har integration af VCSEL'er direkte på silicium været en langvarig udfordring på grund af materialeegenskaberne og gittermismatch mellem silicium og de sammensatte halvledere, der almindeligvis anvendes i VCSEL'er.

Bowers' tilgang overvinder disse udfordringer ved at anvende et hybridmaterialesystem, der inkluderer silicium, aluminium, gallium, arsenid og indiumphosphid. Ved omhyggeligt at kontrollere vækstbetingelserne og dopingniveauerne var forskerne i stand til at skabe VCSEL'er af høj kvalitet med lav elektrisk modstand og fremragende optisk ydeevne på siliciumsubstratet.

De integrerede VCSEL'er udviste kontinuerlig bølgedrift ved stuetemperatur med en tærskelstrømtæthed på 1,2 kA/cm2, sammenlignelig med state-of-the-art VCSEL'er dyrket på konventionelle substrater. Enhederne demonstrerede en høj udgangseffekt på 1,5 mW og en moduleringsbåndbredde på 12,5 GHz.

Den vellykkede demonstration af fuldt integrerede VCSEL'er på silicium baner vejen for den monolitiske integration af lasere og elektronik på siliciumchips, et vigtigt skridt i retning af at realisere avancerede fotoniske integrerede kredsløb til applikationer inden for højhastigheds optisk kommunikation, sensing og computing.

"Vores arbejde repræsenterer en kritisk milepæl i integrationen af ​​lasere på silicium," sagde Bowers. "Ved sømløst at integrere VCSEL'er direkte på silicium åbner vi op for nye muligheder for kompakte og energieffektive optoelektroniske enheder og systemer."

Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Photonics. Forskerholdet omfattede forskere fra UCSB, University of California, Berkeley og University of Tokyo.