Silicon Photonics Breakthrough: “Last Missing Piece” sekarang menjadi kenyataan
Tim peneliti internasional meluncurkan laser semikonduktor gelombang kontinu yang dipompa secara elektrik yang dirancang untuk integrasi tanpa batas dengan silikon.
Scientists from Forschungszentrum Jülich (FZJ), the University of Stuttgart, the Leibniz Institute for High Performance Microelectronics (IHP), and their French partner CEA-Leti have successfully developed the first electrically pumped continuous-wave semiconductor laser made entirely from group IV elements, Biasanya disebut sebagai “kelompok silikon” dalam tabel periodik.
Laser inovatif ini dibangun dari lapisan ultrathin bertumpuk dari silikon-germanium-tin dan germanium-tin. Hebatnya, ini adalah laser pertama dari jenisnya yang ditanam langsung pada wafer silikon, membuka jalan bagi kemajuan fotonik terintegrasi on-chip. Temuan penelitian telah diterbitkan dalam jurnal bergengsi Komunikasi Alam.
Meningkatnya permintaan fotonik hemat energi
Pertumbuhan yang cepat kecerdasan buatan (AI) dan Internet of Things (IoT) mendorong permintaan untuk perangkat keras yang semakin kuat dan hemat energi. Transmisi data optik, dengan kemampuannya untuk mentransfer sejumlah besar data sambil meminimalkan kehilangan energi, sudah menjadi metode yang lebih disukai untuk jarak di atas satu meter dan terbukti menguntungkan bahkan untuk jarak yang lebih pendek.
Poin pengembangan ini menuju microchip masa depan yang menampilkan sirkuit terintegrasi (PIC) berbiaya rendah, menawarkan penghematan biaya yang signifikan dan peningkatan kinerja.
Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan yang signifikan telah dibuat dalam mengintegrasikan komponen aktif secara optik pada chip silikon. Komponen utama, termasuk modulator kinerja tinggi, fotodetektor, dan pandu gelombang telah dikembangkan. Namun, tantangan lama adalah kurangnya sumber cahaya yang efisien dan dipompa secara elektrik hanya menggunakan kelompok IV semikonduktor.
Sampai sekarang, sumber cahaya semacam itu secara tradisional mengandalkan bahan III-V, yang sulit dan karenanya mahal untuk diintegrasikan dengan silikon. Laser baru ini membahas celah itu, membuatnya kompatibel dengan teknologi CMOS konvensional untuk fabrikasi chip dan cocok untuk integrasi yang mulus ke dalam proses pembuatan silikon yang ada. Oleh karena itu dapat dilihat sebagai “bagian terakhir yang hilang” di kotak alat silikon fotonik.
Inovasi utama dalam laser baru
Untuk pertama kalinya, para peneliti telah menunjukkan operasi gelombang kontinu dalam laser grup IV yang dipompa secara elektrik pada silikon. Tidak seperti laser Germanium-Tin sebelumnya yang mengandalkan pemompaan optik berenergi tinggi, laser baru ini beroperasi dengan injeksi arus rendah hanya 5 miliampere (MA) pada 2 volt (V), sebanding dengan konsumsi energi dari dioda yang memancar cahaya.
Dengan struktur sumur multi-kuantum yang canggih dan geometri cincin, laser meminimalkan konsumsi daya dan pembangkit panas, memungkinkan operasi yang stabil hingga 90 kelvin (k) atau minus 183,15 derajat Celsius (° C).
Tumbuh pada wafer silikon standar seperti yang digunakan untuk transistor silikon, itu mewakili laser grup IV pertama yang benar-benar “dapat digunakan”, meskipun optimisasi lebih lanjut diperlukan untuk lebih mengurangi ambang pengumpulan dan mencapai operasi suhu kamar. Namun, keberhasilan laser germanium-tin yang dipompa secara optik sebelumnya, yang telah berevolusi dari operasi cryogenic ke suhu kamar hanya dalam beberapa tahun, menunjukkan jalur yang jelas ke depan.
Dalam laser yang dipompa secara optik, sumber cahaya eksternal diperlukan untuk menghasilkan cahaya penguat, sedangkan laser yang dipompa secara elektrik menghasilkan cahaya ketika arus listrik melewati dioda. Laser yang dipompa secara elektrik biasanya lebih hemat energi karena mereka secara langsung mengubah listrik langsung menjadi cahaya laser.
Reference: “Continuous-wave electrically pumped multi-quantum-well laser based on group-IV semiconductors” by Lukas Seidel, Teren Liu, Omar Concepción, Bahareh Marzban, Vivien Kiyek, Davide Spirito, Daniel Schwarz, Aimen Benkhelifa, Jörg Schulze, Zoran Ikonic, Jean-Michel Hartmann, Alexei Chelnokov, Jeremy Witzens, Giovanni Capellini, Michael Oehme, Detlev Grützmacher dan Dan Buca, 3 Desember 2024, Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-024-54873-z
Kelompok penelitian, yang dipimpin oleh Dr. Buca dari Forschungszentrum Jülich's PGI-9, telah memelopori paduan IV Tin Berbasis Tin selama bertahun-tahun, berkolaborasi dengan mitra seperti IHP, Universitas Stuttgart, CEA-Li, C2N-UNIVERSITé Paris-Sud Sud , dan Politecnico di Milano. Mereka telah menunjukkan potensi aplikasi dalam fotonik, elektronik, termoelektrik, dan spintonik. Dengan pencapaian baru ini, visi fotonik silikon yang memberikan solusi all-in-one untuk microchip generasi berikutnya sekarang berada dalam jangkauan.
