Phát triển laser silic cường độ mạnh

Ảnh kính hiển vi điện tử quét điôt laser được chế tạo trên chất nền silic

Các nhà nghiên cứu từ Đại học College London (UCL), Anh và Đại học Arkansas, Hoa Kỳ đã trình diễn laser silic ở mức kỷ lục 111oC, với mật độ dòng ngưỡng 200 A/cm2 và công suất đầu ra trên 100 mW ở nhiệt độ phòng.

Công trình nghiên cứu này có thể cho phép các nhà khoa học tạo ra các mạch quang điện tử phức tạp, đưa đến khả năng thông tin liên lạc giữa các chip và các hệ thống trên chất nền silic.

“Laser của chúng tôi hoạt động ở nhiệt độ trên 100^oC cho thấy các vật liệu III-V chúng tôi phát triển trên nền silic tốt như những vật liệu được phát triển trên nền tự nhiên”, TS. Chen Siming từ UCL, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Khả năng phát triển vật liệu III-V trên chất nền hoàn toàn bằng silic và sau đó chế tạo nó để cung cấp cho laser bơm điện đưa đến khả năng có thể chế tạo hàng loạt.”

Khi các thiết bị điện tử dựa vào silic đạt tới các giới hạn của nó, quang tử học silic, kết hợp những lợi thế của quang tử học và điện tử học, được phát triển mạnh mẽ trong 30 năm qua như một công nghệ xử lý dữ liệu quang học cực nhanh. Tiến bộ nhanh chóng đã đạt được trong phát triển các công nghệ điều biến và tách sóng dựa vào silic và hầu hết các thành phần thụ động hiện có thể được sử dụng.

Tuy nhiên, laser silic vẫn chưa được chế tạo do silic là vật liệu có khe năng lượng gián tiếp và quá trình thực hiện tái tổ hợp để chiếu sáng vốn dĩ không hiệu quả. Các yêu cầu để laser bơm điện hoạt động khó hơn nhiều so với laser bơm quang học, nhưng tầm quan trọng của thị trường lại lớn hơn nhiều, do laser bơm điện cho phép tích hợp nguyên khối laser với thiết bị điện tử và không cần nguồn quang ngoài chip.

Theo Chen, laser silic “hiện được coi là Chén thánh của quang tử học silic vì thách thức kỹ thuật này cũng như tầm quan trọng của các ứng dụng và giá trị thị trường của laser trong số tất cả các thành phần quang tử dựa vào silic.”

Laser III-V phát triển trên chất nền III-V được thiết lập như laser hiệu suất cao, tuy nhiên, một giải pháp hấp dẫn để khắc phục những thách thức trên là chế tạo laser III-V trên chất nền silic. Mặc dù vậy, công nghệ này có những thách thức riêng, trong đó thông số không trùng mạng (lattice mismatch) cao và sự khác biệt về hệ số giãn nở của 2 loại vật liệu dẫn đến sự hình thành lệch mạng kết chuỗi (threading dislocation) mật độ cao, do đó làm giảm hiệu suất của laser.

Một vài năm trước đây, nhóm nghiên cứu UCL là nhóm đầu tiên chứng minh hoạt động của laser chấm lượng tử InAs/GaAs bơm điện được phát triển mọc ghép trên chất nền silic. Kỹ thuật này đạt được bằng cách sử dụng siêu cấu trúc lớp biến dạng InGaAs/GaAs như các lớp lọc lệch mạng để giảm mật độ của các lệch mạng kết chuỗi.

Từ đó, nhóm nghiên cứu tìm cách để tối ưu hóa lớp đệm này và đã đạt được hiệu suất cao hơn bằng cách sử dụng InAlAs/GaAs. Trong công trình nghiên cứu mới nhất của họ xuất bản trên tạp chí Electronics Letters, nhóm nghiên cứu chứng minh nhiệt độ cao nhất cho laser chấm lượng tử InAs/GaAs được phát triển trực tiếp trên nền silic hoạt động.

“Trong khi các chip điện tử silic hiện đại thường hoạt động ở nhiệt độ 65^oC hay cao hơn, được đo bằng một bộ nối nhiệt trên chip, nhiệt độ thực tế của các bóng bán dẫn có thể cao hơn”, Chen nói. “Do laser của chúng tôi được thiết kế cho quang tử học silic, điều quan trọng là laser có thể hoạt động ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy laser chấm lượng tử phát triển nguyên khối trên chất nền silic có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tương tự như các thiết bị điện tử. Về khía cạnh này, công trình nghiên cứu của chúng tôi đi trước tất cả các phương pháp khác để chế tạo laser trên chất nền silic.”

Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu hóa các lớp đệm III-V nhằm giảm thiểu những khiếm khuyết tinh thể để làm tăng hiệu suất của laser cũng như cải thiện độ tin cậy.

“Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang chấp nhận các phương pháp tiếp cận mà chúng tôi là người đi tiên phong”, Chen nói. “Mục tiêu của chúng tôi là trình diễn một mạch thu phát quang tử nguyên khối kết hợp với các mạch điện tử. Về lâu dài, chúng tôi đang cố gắng hợp tác với các đối tác công nghiệp nhiều hơn trên nền tảng phát triển này để giảm thiểu các rào cản giữa trình diễn nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp.”

Trong thập kỷ tới, các nhà nghiên cứu hy vọng hiện thực hóa laser chấm lượng tử III-V tích hợp nguyên khối trên silic, với hiệu suất hoạt động và tuổi thọ tương tự như laser dựa vào GaAs hay InP hoạt động ở các bước sóng truyền thông quang học.

“Với sự quan tâm ngày càng tăng trong lĩnh vực này và nhu cầu cấp thiết cho nguồn ánh sáng dựa vào silic hiệu suất cao, laser châm lượng tử III-V dựa vào silic thương mại cần đạt được trong thập kỷ tới”, Chen nói.

Theo Vista.gov.vn