ハイブリッドシリコンレーザー

ハイブリッドシリコンレーザーは、シリコンとIII-V族半導体材料の両方を用いて作製される半導体レーザーです。ハイブリッドシリコンレーザーは、低コストで大量生産可能なシリコン光デバイスの製造を可能にするシリコンレーザーが不足しているという課題を解決するために開発されました。このハイブリッド方式は、III-V族半導体材料の発光特性とシリコンのプロセス成熟度を組み合わせることで、他のシリコンフォトニックデバイスと統合可能な電気駆動型レーザーをシリコンウェハ上に作製します。

ハイブリッドシリコンレーザーは、シリコンとIII-V族半導体材料（例えば、リン化インジウム(III)、ヒ化ガリウム(III)）の両方から作製される光源です。これは、活性な発光性III-V族エピタキシャル半導体ウェハに融着されたシリコン導波路で構成されています。III-V族エピタキシャルウェハは、レーザー光などの光を照射したり、電流を流したりすることで活性層が励起され、発光するように異なる層で構成されています。活性層から放出された光は、シリコン導波路との距離が近いため（130 nm未満）、シリコン導波路に結合され、シリコン導波路の端にあるミラーで反射されてレーザー共振器を形成します。^{[ 1 ] [ 2 ]}

シリコンレーザーは、プラズマアシストウェーハ接合と呼ばれる技術によって製造されます。まず、シリコン導波路がシリコンオンインシュレーター（SOI）ウェーハ上に作製されます。次に、このSOIウェーハとパターン化されていないIII-Vウェーハを酸素プラズマに曝露した後、半導体製造としては低温である300℃で12時間プレスします。このプロセスにより、2つのウェーハが融合されます。次に、III-Vウェーハをメサ状にエッチングして、エピタキシャル構造内の電気層を露出させます。これらのコンタクト層上に金属コンタクトを作製することで、電流が活性領域に流れるようになります。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

シリコンの製造と加工は、電子産業において低コストの電子機器を大量生産するために広く用いられています。シリコンフォトニクスは、これらの電子製造技術を応用して、低コストの集積光デバイスを製造します。光デバイスにシリコンを使用する際の課題の一つは、シリコンが発光性に乏しく、電気励起レーザーの製造には適さないことです。そのため、レーザーはまず別のIII-V族半導体ウェハ上に作製し、その後、各シリコンデバイスに個別に位置合わせする必要があります。このプロセスはコストと時間がかかるため、シリコンフォトニック回路で使用できるレーザーの総数が制限されます。このウェハ接合技術を用いることで、シリコンウェハ上に多数のハイブリッドシリコンレーザーを同時に作製し、すべてシリコンフォトニックデバイスに位置合わせすることが可能になります。

以下の参考文献で挙げられている潜在的な用途には、1つのダイ上に多数の、場合によっては数百個のハイブリッドシリコンレーザーを製造し、シリコンフォトニクスを使用してそれらを結合し、パーソナルコンピュータ、サーバー、またはバックプレーン用の高帯域幅光リンクを形成することが含まれます。これらのレーザーは現在、CMOSファウンドリで300 mmシリコンウェハ上に年間100万個以上の量で製造されています。^{[ 6 ]}

シリコン導波路の損失が低いということは、これらのレーザーが非常に狭い線幅（<1 kHz）を持つことができることを意味し^{[ 7 ]} 、コヒーレント送信機、光ライダー^{[ 8 ]}、光ジャイロスコープ、その他のアプリケーション^{[ 9 ]}などの新しいアプリケーションが開かれます。これらのレーザーは、非線形デバイスを励起して、10 分の¹⁷の安定性を持つ光シンセサイザーを作成するために使用できます。^{[ 10 ]}

• パルス光ポンピングレーザーは、UCSBのジョン・E・バウワーズの研究グループによって初めて実証された。
• インテルとカリフォルニア大学サンタバーバラ校が連続波光ポンピングレーザーの実証に成功
• UCSBとインテルが実証した、電気駆動による連続波レーザー発振
• シリコン上の単一波長分布帰還レーザー^{[ 11 ]}
• シリコン上の短パルスモード同期レーザー^{[ 12 ]}
• シリコン上の量子カスケードレーザー^{[ 13 ]}
• シリコン上のインターバンドカスケードレーザー^{[ 14 ]}