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垂直奈米雷射器開通全新光學連接埠

上網時間: 2016年02月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:矽光子  晶圓級堆疊  雷射器  奈米線  CMOS 

當今的矽光子晶片必須採用複雜的製造製程連接光源與晶片,而且也和晶圓級堆疊密不可分。然而,德國慕尼黑工業大學(Technical University of Munich;TUM)的科學家們最近宣稱,他們已經成功地在晶片上直接生長出直徑360nm的垂直奈米雷射器

這為在CMOS電路上的光子元件整合開啟了新的光學連接埠。

由於各種材料具有不同的晶格參數以及不同的熱膨脹係數,在矽晶上生長III-V族半導體經常導致應變並產生大量的缺陷,使得這些分層並不適用於打造可用的裝置。

慕尼黑工業大學的研究團隊首先單獨在直徑僅40-50nm佔位空間的晶片上沉積砷化鎵(GaAs)奈米線,以符合250nm二 氧化矽(SiO2)交錯層中的播種小孔直徑。然後在透過可控制的橫向生長選擇性擴展GaAs奈米線直徑以前,再用分子束外延(MBE)生長長度約10um的內部核心奈米線至同軸雷射結構中。


GaAs/AlGaAs奈米線(c)通過外部光泵的(a)尺寸測量與(b)雷射實驗的SEM圖

透過改變其化學成份,研究人員們透過沈積多個六角形GaAs-AlGaAs核-殼(core-shell)結構,順利打造出多層的量子阱(QW)。他們展示在75nm厚的AlGaAs阻障層之間夾層8nm厚的GaAs QW,以及由7層8nm GaAs QW組成並以10nm AlGaAs阻障層隔離的多量子阱雷射結構。


(a)同軸GaAs-AlGaAs多層QW奈米線異質結構;(b)在Si上生長雷射結構的SEM影像;(c)相同結構的HAADF-STEM影像橫截面,明亮處是GaAs層,黑暗處則為AlGaAs區域;(d)相鄰GaAs QW與AlGaAs阻障層的原子序對比(Z-contrast)功能與放大影像

在這兩種設計中,核-殼層GaAs-AlGaAs奈米線仍以內部核心連接至矽基底,延伸至整個二氧化矽交錯層(作為雷射作業的鏡像)。

在先前的作業中,研究人員們研究了分離式GaAs-AlGaAs核殼奈米雷射器,並表徵與探索其原生的特性與性能。

這項主題為「具有外延增益控制的同軸GaAs-AlGaAs核殼奈米線雷射」(Coaxial GaAs-AlGaAs core-multishell nanowire lasers with epitaxial gain control)的最新論文日前已發佈於《應用物理快報》(Applied Physics Letters),研究人員們在文中展示成功在室溫下以奈米線於矽基上實現近紅外線雷射作業(採用調整至780nm的 Ti:藍寶石雷射透過外部光激發)。

接下來,研究人員們希望透過化學拋光或沈積介電Bragg反射鏡,從而改善奈米線雷射性能。此外,在實際應用時,雷射器應該單向發射至可嵌套圖案光子硬體(包括晶片波導)的底層矽。至於實際的整合,研究人員還需要電注入。

「我們目前的研究目標專注於開發可在矽晶上實現電氣泵奈米線雷射器的方法,以及可發至底層光子電路的整合型雷射器。截至目前為止,這些元件都是光子泵,但他們是有選擇性地在矽基底上在生長,」慕尼黑工業大學教授Jonathan J. Finley表示,「我們已經申請矽晶奈米線雷射器的基本技術專利了,對於授權IP給相關產業也相當感興趣。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Vertical Nanolasers Open Optical Ports Out of Silicon,by Julien Happich)





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