Um pesquisador da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, demonstrou um novo método para fabricar lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) em silício, um avanço significativo que poderia levar à integração de lasers em chips de silício para diversas aplicações.

O pesquisador, professor John Bowers, e sua equipe do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UCSB, conseguiram o feito usando um processo chamado “epitaxia em fase de vapor” para depositar camadas de semicondutores em um substrato de silício, criando a estrutura VCSEL diretamente no silício. bolacha.

VCSELs são pequenos lasers que emitem luz perpendicular à superfície do chip semicondutor, tornando-os adequados para aplicações em comunicações ópticas, detecção, imagem e monitores. No entanto, a integração de VCSELs diretamente no silício tem sido um desafio de longa data devido às propriedades do material e à incompatibilidade de rede entre o silício e os semicondutores compostos comumente usados ​​em VCSELs.

A abordagem de Bowers supera esses desafios empregando um sistema de material híbrido que inclui silício, alumínio, gálio, arsenieto e fosfeto de índio. Ao controlar cuidadosamente as condições de crescimento e os níveis de dopagem, os pesquisadores conseguiram criar VCSELs de alta qualidade com baixa resistência elétrica e excelente desempenho óptico no substrato de silício.

Os VCSELs integrados exibiram operação de ondas contínuas à temperatura ambiente, com uma densidade de corrente limite de 1,2 kA/cm2, comparável aos VCSELs de última geração cultivados em substratos convencionais. Os dispositivos demonstraram uma alta potência de saída de 1,5 mW e uma largura de banda de modulação de 12,5 GHz.

A demonstração bem-sucedida de VCSELs totalmente integrados em silício abre caminho para a integração monolítica de lasers e eletrônicos em chips de silício, um passo fundamental para a realização de circuitos integrados fotônicos avançados para aplicações em comunicações ópticas de alta velocidade, detecção e computação.

“Nosso trabalho representa um marco crítico na integração de lasers em silício”, disse Bowers. "Ao integrar perfeitamente VCSELs diretamente no silício, abrimos novas possibilidades para dispositivos e sistemas optoeletrônicos compactos e energeticamente eficientes."

As descobertas foram publicadas na revista Nature Photonics. A equipe de pesquisa incluiu pesquisadores da UCSB, da Universidade da Califórnia, Berkeley e da Universidade de Tóquio.