В Канаде придумали простую технологию создания лазеров на кремнии — это потенциальный прорыв в кремниевой фотонике

Кремний не лучший материал для создания полупроводниковых лазеров. Но он остаётся самым недорогим и доступным сырьём для производства микросхем. Улучшить характеристики лазеров и сохранить простоту обработки кремниевых пластин — это давняя мечта для продвижения кремниевой фотоники, ведь дальнейшее повышение пропускной способности и производительности процессоров и ускорителей без оптики в чипах представляется сложным и неэффективным.

Источник изображения: Laser & Photonics Reviews

 

Неожиданный прорыв в деле простого и доступного для современных технологий производства лазеров на кремниевой подложке совершила аспирантка Хадиджа Миараббас Киани (Khadijeh Miarabbas Kiani) из канадского государственного Университета Макмастерa. Идея изобретения полностью принадлежит ей, как и основные шаги на пути к эксперименту. Поэтому Хадиджа стала ведущим автором статьи по проекту, которая была опубликована в издании Laser & Photonics Reviews.

Современные полупроводниковые лазеры представляют собой сложные многокомпонентные гетерогенные структуры, в которых кремний не используется для испускания фотонов. Хадиджа придумала кремниевую структуру, которая сама становится высокоэффективным источником фотонов. Фактически она спроектировала оптический резонатор без привлечения дорогостоящих соединений и сложных техпроцессов.

Резонатор представляет собой миниатюрный вытравленный в кремниевой подложке диск с сужающимся зазором между ним и соседней рельефной кремниевой структурой. С помощью одноэтапного напыления на диск и соседние поверхности наносится плёнка теллурита, легированного тулием. Плёнка из этих редкоземельных материалов усиливает оптический сигнал от резонатора и превращает структуру в эффективный источник фотонов. Техпроцесс, как видим, очень и очень простой, если его сравнивать с тем, как лазеры производятся сегодня.

Источник изображения: Dan Kim/McMaster University

 

Гибридный лазер накачивается на стандартных телекоммуникационных длинах волн около 1,6 мкм и демонстрирует стабильное одномодовое излучение на 1,9 мкм, с эффективностью 60 % и выходной мощностью более 1 мВт на кристалле. Лазер весьма перспективен для новых коммуникационных и сенсорных приложений и открывает новые возможности для разработки монолитных редкоземельных оптических усилителей и лазеров непосредственно на кремнии.

На новом этапе исследований группа с участием Хадиджи Миараббас Киани начнёт разрабатывать техпроцесс для интеграции кремниевых лазеров непосредственно в структуре кремния, а не на его поверхности. Очевидно, это путь к 3D-компоновке оптических источников в чипах — следующая ступень в развитии полупроводникового производства.