Более 30 лет кристаллическая решетка кремния и типичных лазерных материалов не могла совпадать, что делало невозможным объединение двух материалов — до сих пор.Как сообщает группа в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing, интеграция субволновых резонаторов — основных строительных блоков их крошечных лазеров — в кремний позволила им создать и продемонстрировать светоизлучающие элементы высокой плотности на кристалле.
Для этого им сначала пришлось разрешить дефекты кристаллической решетки кремния до такой степени, чтобы полости были по существу эквивалентны полостям, выращенным на подложках из арсенида галлия (GaAs) с согласованной решеткой. Наноструктуры, созданные на кремнии для ограничения дефектов, сделали шаблон GaAs на кремнии почти бездефектным, а квантовое ограничение электронов внутри квантовых точек, выращенных на этом шаблоне, сделало возможной генерацию.Затем группа смогла использовать оптическую накачку — процесс, в котором свет, а не электрический ток, «перекачивает» электроны с более низкого энергетического уровня в атоме или молекуле на более высокий уровень, чтобы показать, что устройства работают как лазеры.
«Использование лазеров в микропроцессорах расширяет их возможности и позволяет им работать на гораздо более низких мощностях, что является большим шагом к интеграции фотоники и электроники на кремниевой платформе», — сказал профессор Кей Мэй Лау, факультет электронной и компьютерной инженерии Гонконгского университета. науки и техники.Обычно в коммерческих целях используются довольно большие лазеры — обычно 1 мм x 1 мм. Меньшие по размеру лазеры, как правило, страдают от больших потерь в зеркале.Но ученым удалось решить эту проблему с помощью «крошечных лазеров в моде шепчущей галереи — всего 1 микрон в диаметре, которые в 1000 раз короче по длине и в 1 миллион раз меньше по площади, чем те, которые используются в настоящее время», — сказал Лау.
Лазеры в режиме "шепчущей галереи" считаются чрезвычайно привлекательным источником света для встроенной оптической связи, обработки данных и химических датчиков.«Наши лазеры имеют очень низкий порог и соответствуют размерам, необходимым для их интеграции в микропроцессор», — отметил Лау. «И эти крошечные высокопроизводительные лазеры можно выращивать непосредственно на кремниевых пластинах, из которых изготавливается большинство интегральных схем (полупроводниковых чипов)».С точки зрения приложений крошечные лазеры на кремнии идеально подходят для высокоскоростной передачи данных.
«Фотоника — это наиболее энергоэффективный и экономичный метод для передачи больших объемов данных на большие расстояния. До сих пор лазерные источники света для таких приложений были« вне кристалла »- отсутствовали — в компоненте», — пояснил Лау. «Наша работа позволяет интегрировать лазеры, [незаменимый] компонент, с другой кремниевой фотоникой и микропроцессорами».Исследователи ожидают, что эта технология появится на рынке в течение 10 лет.
Затем группа «работает над лазерами с электрической накачкой с использованием стандартной технологии микроэлектроники», — сказал Лау.