ليزر السيليكون الهجين

الليزر السيليكوني الهجين هو ليزر شبه موصل مصنوع من السيليكون ومواد أشباه الموصلات من المجموعة الثالثة-الخامسة . طُوّر هذا الليزر لسدّ النقص في ليزر السيليكون الذي يُتيح تصنيع أجهزة بصرية سيليكونية منخفضة التكلفة وقابلة للإنتاج بكميات كبيرة . يستفيد هذا النهج الهجين من خصائص انبعاث الضوء لمواد أشباه الموصلات من المجموعة الثالثة-الخامسة، بالإضافة إلى نضج عمليات تصنيع السيليكون، لإنتاج ليزرات تعمل بالكهرباء على رقاقة سيليكونية يُمكن دمجها مع أجهزة ضوئية سيليكونية أخرى.

الليزر السيليكوني الهجين هو مصدر ضوئي مصنوع من السيليكون ومواد أشباه الموصلات من المجموعة الثالثة-الخامسة (مثل فوسفيد الإنديوم (III) وأرسينيد الغاليوم (III) ). يتكون من موجه سيليكوني ملتحم برقاقة شبه موصلة نشطة باعثة للضوء من المجموعة الثالثة-الخامسة. صُممت رقاقة أشباه الموصلات من المجموعة الثالثة-الخامسة بطبقات مختلفة بحيث يمكن للطبقة النشطة أن تُصدر الضوء عند إثارتها إما بتسليط ضوء عليها، مثل شعاع ليزر ، أو بتمرير تيار كهربائي من خلالها. يتداخل الضوء المنبعث من الطبقة النشطة مع الموجه السيليكوني نظرًا لقربهما الشديد (بمسافة فاصلة أقل من 130 نانومتر)، حيث يمكن توجيهه لينعكس عن مرايا في نهاية الموجه السيليكوني لتشكيل تجويف الليزر . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يُصنع ليزر السيليكون بتقنية تُسمى ربط الرقاقات بمساعدة البلازما. تُصنع موجهات السيليكون أولًا على رقاقة سيليكون على عازل (SOI). ثم تُعرَّض رقاقة SOI هذه ورقاقة أشباه الموصلات III-V غير المنقوشة لبلازما الأكسجين قبل ضغطها معًا عند درجة حرارة منخفضة (لصناعة أشباه الموصلات) تبلغ 300 درجة مئوية لمدة 12 ساعة. تُدمج هذه العملية الرقاقتين معًا. بعد ذلك، تُحفر رقاقة أشباه الموصلات III-V لتكوين تجاويف لكشف الطبقات الكهربائية في البنية فوقية . تُصنع موصلات معدنية على طبقات التلامس هذه، مما يسمح بتدفق التيار الكهربائي إلى المنطقة الفعالة. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

تُستخدم تقنيات تصنيع السيليكون على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات لإنتاج الأجهزة الإلكترونية منخفضة التكلفة بكميات كبيرة. وتستفيد تقنية الفوتونيات السيليكونية من هذه التقنيات نفسها لإنتاج أجهزة بصرية متكاملة منخفضة التكلفة. إحدى المشكلات التي تواجه استخدام السيليكون في الأجهزة البصرية هي ضعف انبعاث الضوء منه، مما يجعله غير مناسب لصنع ليزر يُضخ كهربائيًا. هذا يعني أنه يجب أولًا تصنيع الليزر على رقاقة أشباه موصلات من النوع III-V منفصلة قبل محاذاتها بشكل فردي مع كل جهاز سيليكوني، وهي عملية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلًا، مما يحد من العدد الإجمالي لليزر الذي يمكن استخدامه في دائرة الفوتونيات السيليكونية. باستخدام تقنية ربط الرقاقات هذه، يمكن تصنيع العديد من ليزرات السيليكون الهجينة في وقت واحد على رقاقة سيليكونية واحدة، مع محاذاتها جميعًا مع أجهزة الفوتونيات السيليكونية.

تشمل الاستخدامات المحتملة المذكورة في المراجع أدناه تصنيع العديد من ليزرات السيليكون الهجينة، وربما المئات منها، على رقاقة واحدة، واستخدام تقنية الفوتونات السيليكونية لدمجها معًا لتشكيل روابط بصرية عالية النطاق الترددي لأجهزة الكمبيوتر الشخصية أو الخوادم أو اللوحات الخلفية. تُصنّع هذه الليزرات حاليًا على رقائق سيليكون بقطر 300 مم في مصانع CMOS بكميات تتجاوز مليون ليزر سنويًا. ^{[ 6 ]}

انخفاض فقد الموجات في الموجهات السيليكونية يعني أن هذه الليزرات تتمتع بعرض خط طيفي ضيق للغاية (<1 كيلوهرتز) ^{[ 7 ]} ، مما يفتح آفاقًا جديدة لتطبيقات مثل أجهزة الإرسال المتماسكة، وأجهزة الليدار الضوئية ^{[ 8 ]} ، والجيروسكوبات الضوئية، وغيرها من التطبيقات ^{[ 9 ]} . ويمكن استخدام هذه الليزرات لضخ الأجهزة غير الخطية لصنع مُركِّبات ضوئية ذات استقرار يصل إلى جزء واحد من 10^ ^{17 [ 10 ]} .

• تم عرض تقنية الليزر النبضي المضخ ضوئياً لأول مرة من قبل مجموعة جون إي. باورز في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا
• تم عرض تقنية الليزر المستمر المضخ ضوئياً بواسطة شركتي إنتل وجامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا.
• تم إثبات توليد الليزر المستمر بالتيار الكهربائي بواسطة جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا وشركة إنتل
• ليزرات التغذية الراجعة الموزعة أحادية الطول الموجي على السيليكون ^{[ 11 ]}
• ليزرات ذات نمط نبضي قصير على السيليكون ^{[ 12 ]}
• ليزرات الشلال الكمومي على السيليكون ^{[ 13 ]}
• ليزرات الشلال بين النطاقات على السيليكون ^{[ 14 ]}