El Forschungszentrum Jülich, FZJ, la Universidad de Stuttgart y el Instituto Leibniz de Microelectrónica de Alto Rendimiento (IHP), junto con su socio francés CEA-Leti, han desarrollado el primer láser semiconductor de onda continua bombeado eléctricamente compuesto exclusivamente de componentes. El cuarto grupo de la tabla periódica: el “grupo del silicio”. Construido a partir de capas ultrafinas apiladas de silicio, germanio-estaño y germanio-estaño, este nuevo láser es el primero de su tipo cultivado directamente sobre una oblea de silicio, lo que abre nuevas posibilidades para la fotónica integrada en un chip. Los resultados han sido publicados en revistas científicas. comunicación de la naturaleza.
El rápido crecimiento de la inteligencia artificial (IA) y el Internet de las cosas (IoT) está impulsando la demanda de hardware cada vez más potente y energéticamente eficiente. La transmisión óptica de datos, con su capacidad de transferir grandes cantidades de datos con una pérdida de energía reducida, ya es el método preferido para distancias superiores a un metro y está demostrando ser ventajoso también para distancias más cortas. Este desarrollo apunta a futuros microchips con circuitos integrados fotónicos (PIC) de bajo costo, que ofrecen importantes ahorros de costos y un mejor rendimiento.
En los últimos años se han logrado avances significativos en la integración de componentes ópticamente activos exclusivamente en chips de silicio. Se desarrollan componentes clave que incluyen moduladores, fotodetectores y guías de ondas de alto rendimiento. Sin embargo, la falta de una fuente de luz eficiente bombeada eléctricamente que utilice únicamente semiconductores del grupo IV sigue siendo un desafío de larga data. Hasta ahora, estas fuentes de luz se han basado tradicionalmente en materiales III-V, que son difíciles de combinar con el silicio y, por tanto, caros. Este nuevo láser aborda esa brecha, haciéndolo compatible con la tecnología CMOS convencional para la fabricación de chips y adecuado para una integración perfecta en los procesos de fabricación de silicio existentes. Por lo tanto, puede considerarse como la “última pieza que falta” en la caja de herramientas de la fotónica del silicio.
Por primera vez, los investigadores han demostrado el funcionamiento de onda continua en un láser de silicio del Grupo IV bombeado eléctricamente. A diferencia de los láseres de germanio-estaño anteriores que dependían de un bombeo óptico de alta potencia, este nuevo láser funciona con una inyección de corriente baja de sólo 5 miliamperios (mA) a 2 voltios (V), comparable al consumo de energía de un diodo emisor de luz. . Con su avanzada estructura de pozo multicuántico y geometría de anillo, el láser minimiza el consumo de energía y la generación de calor, lo que permite un funcionamiento estable hasta 90 Kelvin (K) o menos 183,15 grados Celsius (°C).
Construido sobre obleas de silicio estándar utilizadas para transistores de silicio, representa el primer láser del Grupo IV verdaderamente “utilizable”, aunque se requiere una mayor optimización para reducir aún más el umbral de emisión de láser y lograr un funcionamiento a temperatura ambiente. Sin embargo, el éxito de los anteriores láseres de germanio-estaño bombeados ópticamente, que han evolucionado de un funcionamiento criogénico a uno a temperatura ambiente en tan solo unos pocos años, sugiere un camino claro a seguir.
En un láser bombeado ópticamente, se requiere una fuente de luz externa para generar la luz láser, que produce luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de un diodo láser bombeado eléctricamente. Los láseres bombeados eléctricamente son generalmente más eficientes energéticamente porque convierten la electricidad directamente en luz láser.
El equipo de investigación dirigido por el Dr. Booker en el PGI-9 del Forschungszentrum Jülich lleva años desarrollando aleaciones del grupo IV a base de estaño, colaborando con socios como IHP, la Universidad de Stuttgart, CEA-Leti y C2N-Université Paris-Sud. y Politécnico de Milán. Ya han demostrado potencial para aplicaciones en fotónica, electrónica, termoeléctrica y espintrónica. Con este nuevo logro, la visión de la fotónica de silicio que proporciona una solución todo en uno para microchips de próxima generación está ahora a nuestro alcance.