Инженеры успешно интегрировали квантовые лазеры в кремниевые чиплеты
Исследователи разработали эффективный метод интеграции квантовых лазеров в кремниевые чиплеты для практического применения. Автор: karlsbad at Openverse https://openverse.org/image/baf603fd-a4c8-49f8-9b89-667a56ab21e7?q=silicon+chip&p=17
Лазеры, изготовленные непосредственно на кремниевых фотонных чипах, обладают рядом преимуществ перед внешними источниками лазерного излучения, включая лучшую масштабируемость. Кроме того, фотонные чипы с такими «монолитно» интегрированными лазерами могут быть коммерчески жизнеспособными, если их производство возможно на стандартных полупроводниковых фабриках.
Лазеры на основе полупроводников III-V групп можно монолитно интегрировать с фотонными чипами, выращивая кристаллический слой лазерного материала (например, арсенида индия) непосредственно на кремниевой подложке. Однако производство таких чипов сопряжено с трудностями из-за несоответствия структур и свойств материалов III-V групп и кремния. Ещё одной проблемой являются «потери при связи» — уменьшение оптической мощности при передаче от лазерного источника к кремниевым волноводам в фотонном чипе.
В исследовании, недавно опубликованном в Journal of Lightwave Technology, доктор Розалин Кошица из Калифорнийского университета (США) и её команда успешно интегрировали лазеры на квантовых точках (QD) из арсенида индия в кремниевые фотонные чиплеты.
«Фотонные интегральные схемы (PIC) требуют компактных источников света на чипе для более плотной интеграции компонентов», — поясняет доктор Кошица.
(a) Интегрированное устройство с 4-мм активной средой III-V группы, соединённое с кремниевой фотоникой, снимок при тестировании. (b) Схематическое поперечное сечение интегрированного лазера и связанной с ним кремниевой фотоники. (c) СЭМ-изображение поперечного сечения лазерного гребня под углом 60°. (d) Моделирование лазерного режима 1310 нм в Lumerical MODE. (e) СЭМ-изображение торца интегрированного лазерного гребня после заполнения зазора BCB, угол наклона 30°. BCB окрашен в синий для идентификации. (f) Увеличенный участок кремниевой фотоники из области (a), показывающий оптический путь: SiN входной волновод, Si кольцо, SiN DBR и выходной волновод. Автор: Journal of Lightwave Technology (2025). DOI: 10.1109/JLT.2025.3555555
Для достижения монолитной интеграции авторы объединили три ключевых подхода: стратегию «карманного лазера», двухэтапную схему роста материала (включающую металлоорганическое газофазное осаждение и MBE для уменьшения начального зазора) и метод заполнения зазора полимером для минимизации расхождения оптического луча. В результате были созданы чиплеты с монолитно интегрированными QD-лазерами.
Тестирование показало, что чиплеты с интегрированными лазерами демонстрируют достаточно низкие потери при связи. Благодаря этому QD-лазеры эффективно работают на одной длине волны O-диапазона внутри чиплетов. O-диапазон предпочтителен, так как обеспечивает передачу сигналов с низкой дисперсией. Одномодовый режим достигается с помощью кольцевых резонаторов из кремния или распределённых брэгговских отражателей из нитрида кремния.
«Наши интегрированные QD-лазеры продемонстрировали работу при температуре до 105 °C и срок службы 6,2 года при температуре 35 °C», — отмечает доктор Кошица.
Новая технология интеграции имеет потенциал для широкого внедрения по двум причинам. Во-первых, фотонные чипы можно производить на стандартных полупроводниковых фабриках. Во-вторых, метод подходит для различных конструкций фотонных интегральных схем без необходимости сложных модификаций.
Предложенная технология может быть адаптирована для множества фотонных интегральных схем путём модификации кремниевых фотонных компонентов, что открывает путь к масштабируемому и экономически эффективному производству чипов с интегрированными источниками света.
Дополнительная информация: Rosalyn Koscica et al, Quantum Dot DBR Lasers Monolithically Integrated on Silicon Photonics by In-Pocket Heteroepitaxy, Journal of Lightwave Technology (2025). DOI: 10.1109/JLT.2025.3555555
0 комментариев