Интегрировать лазеры непосредственно на кремниевые чипы сложно, но это намного эффективнее и компактнее, чем подключение внешнего лазерного излучения к чипам. Непрямая запрещенная зона кремния затрудняет создание лазера из кремния, но диодные лазеры могут быть построены из материалов III-V, таких как InP или GaAs. Путем непосредственного связывания слоя III-V поверх кремниевой пластины и последующего использования слоев III-V для генерации усиления для лазера эта же группа интегрировала на кремнии лазер с несколькими квантовыми ямами, который работает на 2 мкм.
Ограничения в диодных лазерах не позволяют использовать более длинные волны там, где есть гораздо больше приложений, поэтому группа обратила свое внимание на использование вместо них квантовых каскадных лазеров.Создание квантового каскадного лазера на кремнии было сложной задачей, которая усложнялась тем фактом, что диоксид кремния становится сильно поглощающим на более длинных волнах в среднем инфракрасном диапазоне.«Это означало, что нам пришлось не только построить на кремнии лазер другого типа, но и построить другой кремниевый волновод», — пояснил Спотт. «Мы создали волновод типа SONOI [кремний-на-нитрид-на-изоляторе], в котором используется слой нитрида кремния [SiN] под кремниевым волноводом, а не только SiO2».
По словам Спотта, прорыв может привести к появлению нескольких приложений. Традиционно кремниевые фотонные устройства работают в диапазоне длин волн ближнего инфракрасного диапазона, используются для передачи данных и телекоммуникаций. Тем не менее, наблюдается возрастающий исследовательский интерес к созданию этих кремниевых фотонных устройств для более длинных волн средней инфракрасной области, для ряда приложений зондирования и обнаружения, таких как спектроскопия химических связей, зондирование газов, астрономия, океанографическое зондирование, тепловидение, обнаружение взрывчатых веществ и свободная космическая связь.
Следующим шагом для команды является улучшение рассеивания тепла, чтобы улучшить характеристики этих QCL и позволить им создавать непрерывные QCL на кремнии. «Обычно мы надеемся улучшить конструкцию, чтобы получить более высокую мощность и эффективность», — сказал Спотт. «Это приближает нас к созданию полностью интегрированных устройств среднего инфракрасного диапазона на кремниевом чипе, таких как спектрометры или газовые датчики. Кремний стоит недорого, производство можно масштабировать, чтобы значительно снизить стоимость отдельных чипов, а многие небольшие устройства могут быть построены на одном кремниевом чипе, например, несколько различных типов датчиков, работающих на разных длинах волн среднего инфракрасного диапазона ».