Il ricercatore, il professor John Bowers, e il suo team del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica dell'UCSB, sono riusciti nell'impresa utilizzando un processo chiamato "epitassia in fase vapore" per depositare strati di semiconduttori su un substrato di silicio, creando la struttura VCSEL direttamente sul silicio. wafer.
I VCSEL sono minuscoli laser che emettono luce perpendicolare alla superficie del chip semiconduttore, rendendoli adatti per applicazioni nelle comunicazioni ottiche, nel rilevamento, nell'imaging e nei display. Tuttavia, l'integrazione dei VCSEL direttamente sul silicio è stata una sfida di lunga data a causa delle proprietà dei materiali e della mancata corrispondenza del reticolo tra il silicio e i semiconduttori compositi comunemente utilizzati nei VCSEL.
L'approccio di Bowers supera queste sfide impiegando un sistema di materiali ibridi che include silicio, alluminio, gallio, arseniuro e fosfuro di indio. Controllando attentamente le condizioni di crescita e i livelli di drogaggio, i ricercatori sono riusciti a creare VCSEL di alta qualità con bassa resistenza elettrica ed eccellenti prestazioni ottiche sul substrato di silicio.
I VCSEL integrati hanno mostrato un funzionamento a onda continua a temperatura ambiente, con una densità di corrente di soglia di 1,2 kA/cm2, paragonabile ai VCSEL all'avanguardia cresciuti su substrati convenzionali. I dispositivi hanno dimostrato un'elevata potenza di uscita di 1,5 mW e una larghezza di banda di modulazione di 12,5 GHz.
Il successo della dimostrazione di VCSEL completamente integrati su silicio apre la strada all'integrazione monolitica di laser ed elettronica su chip di silicio, un passo fondamentale verso la realizzazione di circuiti integrati fotonici avanzati per applicazioni nelle comunicazioni ottiche, nel rilevamento e nell'informatica ad alta velocità.
"Il nostro lavoro rappresenta una pietra miliare fondamentale nell'integrazione dei laser sul silicio", ha affermato Bowers. "Integrando perfettamente i VCSEL direttamente sul silicio, apriamo nuove possibilità per dispositivi e sistemi optoelettronici compatti ed efficienti dal punto di vista energetico."
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Photonics. Il gruppo di ricerca comprendeva ricercatori dell’UCSB, dell’Università della California, Berkeley e dell’Università di Tokyo.
