تحولی در فوتونیک سیلیکونی: طراحی اولین لیزر نیمه هادی با پمپاژ الکتریکی و کارکرد پیوسته

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، یک گروه تحقیقاتی بین‌المللی اولین لیزر نیمه‌هادی با پمپاژ الکتریکی و کارکرد پیوسته را طراحی کرده‌اند که به‌راحتی با سیلیکون ادغام می‌شود. این دستاورد توسط دانشمندان مرکز تحقیقاتی یولیش (FZJ)، دانشگاه اشتوتگارت، مؤسسه میکروالکترونیک با عملکرد بالای لایبنیتس (IHP) و شریک فرانسوی آنها در این تحقیق یعنی مؤسسه CEA-Leti محقق شده است. این لیزر که کاملاً از عناصر گروه IV (معروف به گروه سیلیکون در جدول تناوبی) ساخته شده، از لایه‌های فوق‌نازک سیلیکون-ژرمانیم-قلع و ژرمانیم-قلع تشکیل شده و مستقیم بر روی ویفر سیلیکونی رشد داده شده است. این دستاورد محققان مسیر را برای توسعه فوتونیک یکپارچه روی تراشه هموار می‌کند. نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای در مجله Nature Communications منتشر شده است.

رشد سریع هوش مصنوعی (AI) و اینترنت اشیاء (IoT) تقاضا برای سخت‌افزار‌های قدرتمند و کم‌مصرف را افزایش داده است. سیستم‌های انتقال داده‌های نوری، با قابلیت انتقال حجم عظیمی از داده‌ها و کاهش اتلاف انرژی، در حال حاضر برای فواصل بیش از یک متر به شدت مورد تقاضا است و حتی برای فواصل کوتاه‌تر نیز چنین فناوری مزایایی دارد. این پیشرفت محققان به آینده‌ای اشاره می‌کند که در آن تراشه‌های میکرونی با مدار‌های فوتونیک یکپارچه (PICs) کم‌هزینه، صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها و بهبود عملکرد را به همراه خواهند داشت.

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های قابل توجهی در ادغام یکپارچه اجزای نوری فعال روی تراشه‌های سیلیکونی حاصل شده است. اجزای کلیدی مانند مدولاتور‌های پرکاربرد، آشکارساز‌های نوری و موج‌بر‌ها توسعه یافته‌اند.

با این حال، چالش طولانی‌مدت، نبود یک منبع نور کارآمد با پمپاژ الکتریکی بود که تنها از نیمه‌هادی‌های گروه IV استفاده کند. تاکنون، چنین منابع نوری بر پایه مواد گروه III-V ساخته می‌شدند که ادغام آنها با سیلیکون دشوار و پرهزینه است.

این لیزر جدید این شکاف فناورانه را پر کرده و با فناوری متداول CMOS برای ساخت تراشه‌ها سازگار است و می‌تواند به‌راحتی در فرآیند‌های تولید سیلیکون موجود ادغام شود؛ بنابراین می‌توان آن را به‌عنوان «آخرین قطعه گم‌شده» در جعبه ابزار فوتونیک سیلیکونی در نظر گرفت.

برای اولین بار، محققان عملکرد پیوسته یک لیزر گروه IV با پمپاژ الکتریکی روی سیلیکون را نمایش داده‌اند. برخلاف لیزر‌های قبلی ژرمانیم-قلع که به پمپاژ نوری با مصرف انرژی بالا متکی بودند، این لیزر جدید با تزریق جریان کم تنها ۵ میلی‌آمپر (mA) در ولتاژ ۲ ولت (V) کار می‌کند که مشابه مصرف انرژی یک دیود نشر نور (LED) است. با ساختار پیشرفته چاه‌های کوانتومی چندگانه و هندسه حلقوی، این لیزر مصرف انرژی و تولید گرما را به حداقل می‌رساند و امکان عملکرد پایدار تا دمای ۹۰ کلوین (K) یا منفی ۱۸۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌کند.

این لیزر که بر روی ویفر‌های سیلیکونی استاندارد مشابه آنهایی که برای ترانزیستور‌های سیلیکونی استفاده می‌شوند، رشد داده شده، اولین لیزر گروه IV واقعا قابل استفاده محسوب می‌شود. البته بهینه‌سازی‌های بیشتری برای کاهش آستانه لیزر و دستیابی به عملکرد در دمای اتاق مورد نیاز است. با این حال، موفقیت لیزر‌های قبلی ژرمانیم-قلع با پمپاژ نوری که در عرض چند سال از عملکرد در دمای کرایوژنیک به دمای اتاق رسیده‌اند، مسیر روشن و امیدوارکننده‌ای را نشان می‌دهد.

در یک لیزر با پمپاژ نوری، یک منبع نور خارجی برای تولید نور لیزر مورد نیاز است، در حالی که لیزر با پمپاژ الکتریکی، نور را هنگامی که جریان الکتریکی از دیود عبور می‌کند، تولید می‌کند. لیزر‌های با پمپاژ الکتریکی معمولاً انرژی کمتری مصرف می‌کنند، زیرا برق را مستقیم به نور لیزر تبدیل می‌کنند.

این گروه تحقیقاتی به رهبری دکتر بوکا از مرکز تحقیقاتی یولیش (PGI-۹) سال‌هاست که بر روی آلیاژ‌های گروه IV مبتنی بر قلع کار می‌کنند و با شرکایی مانند IHP، دانشگاه اشتوتگارت، CEA-Leti، C۲N-Université Paris-Sud و Politecnico di Milano با او همکاری داشته‌اند. آنها پیش‌تر پتانسیل این مواد را در کاربرد‌های فوتونیک، الکترونیک، ترموالکتریک و اسپینترونیک نشان داده‌اند. با این دستاورد جدید، چشم‌انداز فوتونیک سیلیکونی به‌عنوان یک راه‌حل همه‌جانبه برای تراشه‌های نسل بعدی اکنون در دسترس است.