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半导体激光器

研发人员实现技术突破,开发出一种新型激光器

来源:激光天地2020-04-07 我要评论(0 )   

计算机芯片中的晶体管是电力性工作元件。如果能为计算机芯片插上“光学传输”的翅膀,数据传输的速度将大大提升。因此,研究人员一直致力于寻找将激光直接集成到硅芯片...

计算机芯片中的晶体管是电力性工作元件。如果能为计算机芯片插上“光学传输”的翅膀,数据传输的速度将大大提升。因此,研究人员一直致力于寻找将激光直接集成到硅芯片中的方法。据《自然·光子学》杂志近日报道,法国巴黎纳米科学与技术中心(C2N)、意法半导体公司(STME)和格勒诺布尔公司(CLG)等向着这一目标前进了一步。他们开发了一种可兼容的锗-锡半导体激光器,其效率可与传统砷化镓半导体激光器相媲美。

氮化硅和铝构成的“应力层”上涂覆有几微米厚的锗-锡层。在氮化硅晶格的定向作用下,研究人员可以获得光学放大效果。

光学数据传输的数据速率和传输范围均优于电子处理模式,并且能耗更低。在未来,光学解决方案将更多地应用于板-板和芯片-芯片级短距离数据传输。其中,人工智能系统因为需要录入大量数据训练算法,将由此受益匪浅。

研发人员实现技术突破,开发出一种新型激光器

FSJ研究人员Detlev Grützmacher教授解释说:“目前,廉价激光器是我们缺乏的最关键组件。能够与硅基CMOS技术兼容的电泵激光器将是理想的选择。然而,纯硅是一种‘间接半导体’,不适合作为激光材料。为此,研究人员一般会选择III-V族化合物复合半导体为替代品,然而它们的晶格结构与硅完全不同。因此,激光元件只能先在外部制造,然后再进行集成。这样的处理方式导致了成本的激增。”

相比之下,锗-锡激光器可以直接在CMOS生产过程中制造。早在2015年,FSJ的研究人员就证实过,锗-锡系统可以实现激光发射,而且锡含量是影响激光器性能的决定性因素。FSJ研究人员Dan Buca博士说:“从本质上讲,纯锗是一种与硅类似的间接半导体。锡使其转变为制造激光源的直接半导体。”

FSJ开发的外延生长工艺技术已经被全球多个研究小组所采用。通过进一步提高锡含量,激光器已经能够在0℃下工作。然而,锡含量过高又会降低激光效率。

研究人员Nils von den Driesch说:“为了使激光器具有相对较高的泵浦功率,我们以增加材料应力的方式弥补了锡含量降低导致的性能损失。”通过优化锡含量和泵浦功率,激光器产生的余热非常少,成为第一款既能在脉冲状态下工作,又能在连续工作状态下运转的IV族半导体激光器。

除用于光学数据传输外,新型激光器还在红外技术、夜视系统和气体传感器等方面有潜在应用价值。

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激光材料锗-锡激光器

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