2021 年 6 月 17 日 ,莫斯科,俄罗斯的研究人员使用锗量子点和专门设计的硅光子晶体增加了硅的光致发光 (PL) 。由斯科尔科沃科学技术研究所 (Skoltech)、俄罗斯科学院微结构物理研究所、下诺夫哥罗德罗巴切夫斯基国立大学、ITMO 大学、罗蒙诺索夫莫斯科国立大学和俄罗斯 AM Prokhorov 普通物理研究所的科学家开发科学院,该方法和演示可能会产生与硅技术兼容的光电组件。


该技术基于连续体的束缚态。据研究人员称,它可能为光子集成电路 (PIC) 铺平道路。


“硅本身与光的相互作用很弱;它是一个糟糕的发射器和一个糟糕的光子吸收器。因此,驯服硅以有效地与光相互作用是一项必不可少的任务,”Skoltech 的高级研究员 Sergey Dyakov 说。


为了增加硅中的 PL,研究人员将连续介质中的束缚态引入到发射过程中——一种源自量子力学的技术。他们使用了基于连续介质中束缚态的谐振器,可以有效地限制光,因为谐振器内部电磁场的对称性与周围空间电磁波的对称性不对应。


使用锗量子点和专门设计的硅光子晶体增加了硅的光致发光

硅光子晶体层(左)、本征模(中)和发射光谱(右),感谢 Sergey Dyakov、Sergey Tikhodeev 和 Nikolay Gippius


对于 PL 源,研究人员选择了锗纳米岛,它可以嵌入到硅芯片上的特定位置。测试表明,六方晶格硅光子晶体板中锗纳米岛的PL显着增强,这种增强是由于在发射过程中连续体中包含束缚态。


研究人员实现了质量因子高达 2200 的 PL 共振峰,峰值 PL 增强因子超过两个数量级。相应的集成 PL 表现出超过一个数量级的 PL 增强。


Dyakov 说:“在连续谱中使用束缚态使发光强度增加了一百多倍,该团队在散射矩阵形式中使用傅立叶模态方法对连续介质中束缚态的影响进行了理论研究。”


达科夫认为,俄罗斯团队的工作可以为兼容 CMOS 的光子集成电路开辟道路,通过减少 CMOS 电路中元件密度引起的热释放来提高 CMOS 性能。元件之间从金属连接切换到光学连接的能力可以减少热量的产生,因为与电子不同,光子可以以最小的热损失传播很远的距离。


使用锗量子点和专门设计的硅光子晶体增加了硅的光致发光

硅光子晶体层的原始模式,感谢 Sergey Dyakov、Sergey Tikhodeev 和 Nikolay Gippius


Dyakov 说:“向兼容 CMOS 的光子集成电路的过渡还可以显着提高芯片内和现代计算机中各个芯片之间的信息传输速率,从而使它们更快。”


硅仍然是开发的主要材料和制造芯片,大多数数字微电路都是使用 CMOS 技术创建的。由于 CMOS 电路中元件的高密度而导致的热量释放直接导致无法进一步提高设备性能。


一种潜在的解决方法是通过从金属连接切换来减少热量的产生微电路中的元件与光学元件之间。与导体中的电子不同,光子可以在波导中传播很远的距离,而热损失最小。


Skoltech 光子学和量子材料中心纳米光子学理论小组负责人 Nikolay Gippius 教授说:“这些结果为创建基于硅的高效辐射源开辟了新的可能性,这些辐射源内置于具有光信号处理功能的现代微电子电路中。目前有很多团队致力于基于这种结构以及它们与光电芯片上其他元件的耦合原理来制造发光二极管。”


该研究发表在Laser & Photonics Reviews 上。



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