Forskaren, professor John Bowers, och hans team vid UCSB:s avdelning för elektro- och datorteknik, uppnådde bedriften genom att använda en process som kallas "ångfasepitaxi" för att avsätta lager av halvledare på ett kiselsubstrat, vilket skapar VCSEL-strukturen direkt på kislet rån.
VCSELs är små lasrar som avger ljus vinkelrätt mot ytan av halvledarchippet, vilket gör dem lämpliga för applikationer inom optisk kommunikation, avkänning, bildbehandling och skärmar. Men att integrera VCSELs direkt på kisel har varit en långvarig utmaning på grund av materialegenskaperna och gittermissanpassningen mellan kisel och de sammansatta halvledare som vanligtvis används i VCSELs.
Bowers tillvägagångssätt övervinner dessa utmaningar genom att använda ett hybridmaterialsystem som inkluderar kisel, aluminium, gallium, arsenid och indiumfosfid. Genom att noggrant kontrollera tillväxtförhållandena och dopningsnivåerna kunde forskarna skapa högkvalitativa VCSELs med låg elektrisk resistans och utmärkt optisk prestanda på kiselsubstratet.
De integrerade VCSELs uppvisade kontinuerlig vågdrift vid rumstemperatur, med en tröskelströmtäthet på 1,2 kA/cm2, jämförbar med state-of-the-art VCSELs odlade på konventionella substrat. Enheterna visade en hög uteffekt på 1,5 mW och en moduleringsbandbredd på 12,5 GHz.
Den framgångsrika demonstrationen av helt integrerade VCSELs på kisel banar väg för den monolitiska integrationen av lasrar och elektronik på kiselchips, ett nyckelsteg mot att förverkliga avancerade fotoniska integrerade kretsar för applikationer inom höghastighets optisk kommunikation, avkänning och beräkning.
"Vårt arbete representerar en kritisk milstolpe i integrationen av lasrar på kisel", säger Bowers. "Genom att sömlöst integrera VCSELs direkt på kisel öppnar vi nya möjligheter för kompakta och energieffektiva optoelektroniska enheter och system."
Fynden publicerades i tidskriften Nature Photonics. Forskargruppen inkluderade forskare från UCSB, University of California, Berkeley och University of Tokyo.
