اولین لیزر کوانتومی آبشار روی سیلیکون

  تصویری هنری 3 بعدی از چند لیزر آبشار کوانتومی متعدد در بالای موجبرهای سیلیکون یکپارچه شده است

تیمی از محققان از سراسر کشور به سرپرستی الکساندر اسپوت ، دانشگاه کالیفرنیا ، سانتا باربارا ، اولین لیزر آبشار کوانتومی را بر روی سیلیکون ساخته اند. این پیشرفت ممکن است دارای کاربردهایی باشد که از طیف سنجی پیوند شیمیایی و سنجش گاز گرفته تا نجوم و ارتباطات فضای آزاد.

ادغام لیزرها به طور مستقیم روی تراشه های سیلیکون چالش برانگیز است ، اما از اتصال نور لیزر خارجی به تراشه ها بسیار کارآمدتر و کم حجم تر است. پهنای باند غیرمستقیم سیلیکون ساخت لیزر را از سیلیکون دشوار می کند ، اما لیزرهای دیود را می توان با مواد III-V مانند InP یا GaAs ساخت. با اتصال مستقیم یک لایه III-V در بالای ویفر سیلیکونی و سپس با استفاده از لایه های III-V برای تولید سود برای لیزر ، این گروه یک لیزر چاه کوانتومی متعدد بر روی سیلیکون ادغام کرده است که با سرعت 2 میکرومتر عمل می کند. محدودیت در لیزرهای دیود مانع از رفتن به طول موج های طولانی تر می شود که در آن برنامه های کاربردی بیشتری وجود دارد ، بنابراین این گروه توجه خود را به استفاده از لیزرهای آبشار کوانتومی تغییر دادند.

ساختن یک لیزر آبشار کوانتومی روی سیلیکون یک کار چالش برانگیز بود که با توجه به این واقعیت که دی اکسید سیلیکون در طول موجهای طولانی تر در اواسط مادون قرمز به شدت جذب می شود ، کار سختی بود. اسپوت توضیح داد: "این بدان معناست که نه تنها باید نوع دیگری از لیزر را بر روی سیلیکون بسازیم بلکه مجبور شدیم یک موجبر سیلیکونی متفاوت نیز بسازیم." "ما یک نوع موجبر به نام یک موجبر موج SONOI (عایق سیلیکون-روی-نیترید بر روی عایق) ساختیم که از لایه ای از نیترید سیلیکون (SiN) در زیر موجبر سیلیکون استفاده می کند ، نه فقط SiO2."

اسپوت توضیح داد که این پیشرفت می تواند به چندین کاربرد منجر شود. به طور سنتی ، دستگاه های فوتونی سیلیکون در طول موج های مادون قرمز نزدیک عمل می کنند و کاربردهایی در انتقال داده و ارتباطات از راه دور دارند. با این حال ، علاقه زیادی به تحقیق در ساخت این وسایل فوتونیک سیلیکونی برای طول موج های مادون قرمز طولانی تر ، برای طیف وسیعی از کاربردهای سنجش و ردیابی ، مانند طیف سنجی پیوند شیمیایی ، سنجش گاز ، نجوم ، سنجش اقیانوس شناسی ، تصویربرداری حرارتی ، تشخیص انفجار و ... وجود دارد. ارتباطات فضای آزاد.

گام بعدی برای تیم بهبود اتلاف گرما برای بهبود عملکرد این QCL ها و اجازه دادن به آنها برای ساختن QCL های موج مداوم بر روی سیلیکون است. اسپوت گفت: "ما به طور کلی امیدواریم که طراحی را بهبود بخشیم تا از قدرت و کارآیی بالاتری برخوردار شویم." این امر ما را به ساخت وسایل کاملاً یکپارچه مادون قرمز در تراشه سیلیکون مانند طیف سنج یا سنسورهای گازی نزدیکتر می کند. سیلیکون ارزان است ، می توان ساخت آن را کاهش داد تا به طور قابل توجهی هزینه تراشه های شخصی را کاهش دهد ، و بسیاری از دستگاه های کوچک را می توان در همان تراشه سیلیکون ساخته شده است به عنوان مثال چندین نوع حسگر مختلف که در طول موج های مادون قرمز مختلف کار می کنند. "