Studieopdracht Optische Communicatie - H05H6a - De Onmogelijke Laser: Silicium

De onmogelijke laser: Silicium

1

Studieopdracht Optische Communicatie - H05H6a De Onmogelijke Laser: Silicium A. Van Nieuwenhuyse K. D’hoe G. Ottoy

Opdrachtgever: Prof J.Engelen


2

Inhoudsopgave

INHOUDSOPGAVE.................................................................................................... 1 1. INLEIDING ............................................................................................................. 3 2. WAAROM SILICIUM[2]?......................................................................................... 3 2.1 Voordelen en mogelijke toepassingen............................................................................................................ 4 2.2 Nadelen en problemen .................................................................................................................................... 5

3. HET RAMANEFFECT ............................................................................................ 5 3.1 De ontdekking.................................................................................................................................................. 6 3.2 Betekenis .......................................................................................................................................................... 6 3.3 Raman en siliciumlasers[7] .............................................................................................................................. 8

4. EVOLUTIE VAN DE SILICIUMLASER ................................................................ 10 4.1 De onmogelijke laser?[3] ................................................................................................................................ 10 4.2 De uitdaging................................................................................................................................................... 12 4.3 Van een onmogelijke laser naar een continue laser straal[7] ...................................................................... 12 4.4 De hybride silicium laser.[2] .......................................................................................................................... 13 4.4.1 Inleiding .................................................................................................................................................. 13 4.4.2 De aankondiging ..................................................................................................................................... 14 4.3 De werking ................................................................................................................................................. 15

6. BESLUIT .............................................................................................................. 16 7. REFERENTIELIJST ............................................................................................. 17


3

1. Inleiding Al lang zijn wetenschappers op zoek om een laser te verwezenlijken die volledig is opgebouwd uit silicium. De redenen daarvoor zijn divers. Lange tijd werd gedacht dat dit een onmogelijke opgave was. Vorig jaar is men met de fabricage van een hybride laser, door Intel en de University of California, Santa Barbara, weer een stap dichter gekomen bij de realisatie van een commercieel bruikbaar ontwerp[1]. In deze studieopdracht onderzoeken we de redenen van deze zoektocht en de voor- en nadelen die deze nieuwe technologie met zich kan meebrengen. De verschillende fasen in de ontwikkeling van de siliciumlaser worden besproken. Ook nemen we het ramaneffect onder de loep. Dit is het effect dat aan de basis ligt van de grote doorbraak in het onderzoek naar een bruikbare laser met silicium. Tot slot herhalen we nog even de belangrijkste bevindingen en we formuleren een aantal besluiten hieromtrent.

2. Waarom silicium[2]? Silicium is het basismateriaal bij de fabricage van halfgeleiders omwille van zijn vele aantrekkelijke eigenschappen. Het is gemakkelijk te verkrijgen, goedkoop, eenvoudig om te bewerken en welbekend in de halfgeleiderindustrie[2]. Het heeft bovendien de eigenschap, dat het transparant is bij de infrarode golflengten waarbij de optische communicatie plaatsvindt. De vraag naar steeds snellere chips en steeds snellere communicatie, heeft ervoor gezorgd dat chipfabrikanten alternatieve manieren zoeken om de verbindingen tussen chips onderling te realiseren. De capaciteit qua bandbreedte en vermogenverbruik van de gewone elektrische verbindingen heeft zijn grens immers bijna bereikt. De communicatie over glasvezel heeft in de lange afstandscommunicatie de koperen draden al bijna volledig verdrongen. De bandbreedte van een dergelijke verbinding is namelijk vele malen groter en de verzwakking is veel kleiner. Men is nu op het idee gekomen om ook op kleine schaal over te stappen naar optische communicatie.


4

2.1 Voordelen en mogelijke toepassingen De overstap naar optische communicatie biedt een aantal mogelijkheden. Allereerst ondervinden optische systemen nagenoeg geen ruis. De bandbreedte van één optisch kanaal kan dus veel hoger gemaakt worden dan die van een klassieke elektrische geleider. Bovendien kunnen lichtstralen met verschillende golflengten zonder probleem door één enkele glasvezel gestuurd worden (zie Figuur 1). Deze verschillende golflengten zijn daarenboven gemakkelijk te verkrijgen uit één enkele lichtbron – door de lengte van de caviteit aan te passen. Deze toename van de bandbreedte biedt dus voordelen aan rekencentra: het wordt gemakkelijker om veel dataverkeer te verwerken. Maar er is meer. In de nieuwe computersystemen – waarbij meerdere processors naast elkaar werken – , kunnen de prestaties verbeterd worden als de taken mooi verdeeld worden over alle beschikbare processors. Deze zijn dan allemaal continu actief. Een belangrijke voorwaarde is wel, dat de chips toegang hebben tot alle nodige data – met heel wat dataverkeer tot gevolg. De bandbreedte die daarvoor nodig is, zou kunnen gerealiseerd worden door optische communicatie te voorzien tussen de verschillende chips. Extra bijkomend voordeel is, dat als het volledige optische systeem uit silicium is opgebouwd, de fabricage zou kunnen gebeuren met de gekende en goedkope fabricagemethoden van klassieke siliciumchips.

Figuur 1: Mogelijke toepassing van on-chip lasers. Het licht van 25 lasers met verschillende golflengte wordt eerst gemoduleerd aan 40 Gbps en daarna door één enkele glasvezel gestuurd waardoor bitrates van 1 Tbps kunnen gerealiseerd worden.


5

2.2 Nadelen en problemen We zien dus dat de constructie van een siliciumlaser, heel wat voordelen met zich zou meebrengen. Uiteraard zijn er ook een aantal knelpunten. Deze situeren zich vooral bij de constructie van een dergelijke laser – wat alles behalve een eenvoudige opgave is.

Eén van de moeilijkheden is dat Silicium geen licht kan uitzenden op een efficiënte manier. Silicium kan gebruikt worden om licht te geleiden, te moduleren of te detecteren, maar men heeft steeds een externe lichtbron nodig gehad om het ‘eerste licht’ te voorzien. Allereerst werd dit probleem omzeild door het gebruik van externe lasers. De uitlijning hiervan was echter zeer kritiek. Een kleine afwijking op sub-micrometerschaal, kon ervoor zorgen dat het resultaat waardeloos was. Het gebruik van externe lasers was dus geen goede oplossing. Met de ontwikkeling van een hybride siliciumlaser, heeft Intel dit probleem weten op te lossen. Hier wordt echter het licht gegenereerd met behulp van indiumfosfide. De fabricage van

een

dergelijk

hybride

chip kan dus

niet

gebeuren met

de

conventionele

productietechnieken. Een ander probleem is, dat het gegenereerde (laser)licht nog versterkt moet worden om tot een bruikbare toepassing te komen. Bij de oplossing van dit knelpunt is de grote doorbraak er gekomen door de herontdekking van het ramaneffect (zie 3. Het ramaneffect). Veel recente ontwerpen maken van dit effect gebruik om de laserwerking op de chip te versterken. Heel de evolutie in de ontwikkeling van de siliciumlaser is terug te leiden naar het oplossen deze twee problemen: efficiënte uitzending van licht en de versterking van het gegenereerde laserlicht.

3. Het ramaneffect Zoals in de vorige paragraaf aangehaald, is één van de belangrijkste nadelen van silicium, dat deze stof geen licht kan uitzenden op een efficiënte manier. Toch was het een doel, om silicium om te vormen tot een optisch actief materiaal, zodat er niet meer dient teruggegrepen te worden naar lasers uit groep III–V materiaal voor bijvoorbeeld telecommunicatie toepassingen of de verbinding van chips voor dataverkeer. Het niet lineaire effect dat zorgt voor de laserwerking in silicium is gebaseerd op het zogehete ramaneffect. In wat hierna volgt bespreken we wie dit effect ontdekt heeft en wat dit effect nu precies betekent. Dit alles wordt uiteindelijk toegepast op het gebruik in siliciumlasers.


6

3.1 De ontdekking Chandrasekhara Venkata Raman ontdekte het zogenoemde ramaneffect in 1928. Deze Indiase professor in de fysica, docerend aan de universiteit van Calcutta, bestudeerde de verstrooiing van invallend licht op verscheidene stoffen. In 1928 ontdekte hij dat wanneer een transparant materiaal belicht wordt met een lichtstraal met één enkele frequentie, er zich klein deel van het licht voortplant in dezelfde richting van dit invallende licht, en dat een stuk hiervan andere frequenties bezit dan de invallende lichtstraal. Deze frequenties werden vanaf dan de ramanfrequenties genoemd. Dit effect wordt veroorzaakt door de uitwisseling van energie tussen het licht en het materiaal. Raman heeft voor deze ontdekking in 1930 de Nobelprijs fysica ontvangen.

3.2 Betekenis Wanneer men een substantie gaat belichten met een monochromatische straal, met frequentie ωp , kan hierbij het ontstane ramaneffect algemeen omschreven worden als het verschijnen van een zwakke lijn in het spectrum van het licht dat verstrooid wordt in deze substantie. De extra spectrumlijnen zullen zich heel dicht aan beide zijden van de incidentiele lichtfrequentie situeren (zie Figuur 2). Deze zijbanden zijn afkomstig van de nietlineaire interactie van het (pomp)licht met de atomische en moleculaire kwantumstaten in het verstrooiende materiaal. Een klassiek beeld dat we hiervan kunnen geven is dat het licht dynamisch, tijdsafhankelijk resulteert in een veranderende polariseerbaarheid van de substantie en dan zal het product van deze polariseerbaarheid met het originele lichtveld resulteren in optische zijbanden. Het ramaneffect zal thermische trillingen met zich meebrengen van het kristalrooster met een frequentie ωv en zal een sinusoïdale modulatie van de susceptibiliteit (gevoeligheid) produceren. Het incidentiele pompveld zal dus een elektrische polarisatie induceren die gevonden wordt door het product te nemen van de susceptibiliteit en het invallende veld. Het samenkomen van de oscillaties (ωp) van het incidentiele veld met de oscillaties van de susceptibiliteit (ωv) produceert geïnduceerde polarisatie bij de somfrequentie ωp+ωv en bij de verschilfrequentie ωp-ωv. De radiatie geproduceerd bij deze twee polarisatiecomponenten worden de stokes en anti-stokes golven genoemd. In de volgende paragraaf zullen de begrippen stokes en anti-stokes even visueel verduidelijkt worden.


7

Figuur 2: Spectrum van licht na ramanverstrooiing

Het Raman effect correspondeert eigenlijk met de absorptie en de emissie van een foton via een intermediare elektronenstaat, dit wordt een virtueel energieniveau genoemd. Er bestaan enkele mogelijkheden bij deze energieoverdrachten (zie Figuur 3): •

Er is geen energieoverdracht tussen het invallende foton en de moleculen, en dus ook geen ramaneffect. Dit noemt men de Rayleigh verstrooiing.

•

Er kan ook energieoverdracht ontstaan tussen het invallende foton en de moleculen. Het energieverschil is gelijk aan het verschil tussen de trillings- en rotationele energieniveaus van deze molecule. In kristallen worden enkel specifieke fotonen toegelaten die de periodieke structuur ondersteunen, bijgevolg kan ramanverstrooiing enkel optreden bij bepaalde frequenties. o

De molecule absorbeert energie: Stokes verstrooiing. Het resulterende foton bezit hierna lagere energie en genereert een Stokes lijn langs de rode kant van het originele spectrum.

o

De molecule verliest energie: anti-Stokes verstrooiing. De invallende fotonen worden verschoven naar de blauwe zijde van het spectrum, er wordt dus een anti-Stokes lijn gegenereerd. De fotonen bezitten vanaf nu dus een hoger energieniveau.


8

Figuur 3: De verschillende mogelijkheden van lichtverstrooiing. Rayleigh verstrooiing (geen ramaneffect) Stokes verstrooiing (molecule absorbeert energie) Anti-Stokes verstrooiing (molecule verliest energie)

Deze energieverschillen worden gemeten door de energie van de monochromatisch invallende laser af te trekken van de energie van de verstrooide fotonen. Positieve waarden worden afgeleverd bij anti-stokes-verstrooiing en negatieve waarden corresponderen met een stokes-verstrooiing In de ramanspectroscopie wordt van het ramaneffect gebruik gemaakt om vibraties en rotaties van moleculen in een stof te bestuderen.

3.3 Raman en siliciumlasers[7] Wanneer men het ramaneffect gaat bestuderen, dan kan men verder ook een onderscheid maken tussen het spontane ramaneffect en het gestimuleerde ramaneffect. In silicium gaat men de ramanverstrooiing stimuleren om tot een optische laser te komen. Een laser-‘pomp’ gaat het hele proces activeren, dit is zichtbaar op Figuur 4.


9

Figuur 4: Ramaneffect in siliciumlasers. a. In dit niet-lineair optisch schema wordt een pompfoton geabsorbeerd en heruitgezonden als een signaalfoton met een grotere golflengte, samen met een fonon. Het proces zet de pompenergie om in de signaalstraal, die deze dan versterkt. b. Twee-fotonen absorptie, een niet-lineair parasitisch effect. Het creëert ongewenste elektronenparen en gaten die de ramanversterking kunnen uitschakelen.

Een foton dat de pompenergie bevat wordt geabsorbeerd en dan heruitgezonden met lagere energie – wat ook een grotere golflengte impliceert – samen met een ‘fonon’. Een fonon slaat hier op een elementaire trilling van het kristal. De heruitgezonden fotonen vormen samen de signal beam (signaalstraal). Laseractiviteit ontstaat doordat de emissie van licht gestimuleerd, aangewakkerd wordt door de aanwezigheid van deze signal beam. Het resultaat is dat de energie afkomstig van de pomplaser getransfereerd wordt naar de signal beam, waar het nog eens versterkt wordt. Deze ramanversterking heeft echter een heel klein effect en om een laser te bouwen zal er een zeer hoge pompintensiteit nodig zijn en zeer kleine verliezen. Om een voldoende grote optische intensiteit te bereiken om het Ramaneffect in silicium te produceren, werd onlangs een technologie ontwikkeld: silicon-oninsulator.

In

deze

benadering,

die

oorspronkelijk

ontworpen

werd

om

de

vermogenconsumptie in draagbare elektronica te verminderen, worden dunne laagjes kristallijn silicium met een hoge brekingsindex geplaatst op siliciumlagen met lagere brekingsindex. Het grote verschil van deze indexen zorgt ervoor dat het licht goed gekanaliseerd wordt tussen deze 2 verschillende lagen, zodat het ramaneffect ten volle tot uiting kan komen.


10

Er kan aangetoond worden dat wanneer een pomplaser, zijn lichtstraal, met het vermogen van kleiner dan 1 watt invalt op silicium er een golfvorm kan geproduceerd worden met een optische intensiteit tot 25MW/cm2, dit is hoger dan wat kon bereikt worden met high-power halfgeleider lasers. De ramanversterking bij deze intensiteit is nog altijd zeer klein (enkele decibels per centimeter vergeleken met 200dB/cm in standaard halfgeleider lasers), maar die is groot genoeg om laseractiviteit te produceren, dit dankzij de lage optische verliezen in de silicium golfgeleider. Naast deze silicon-on-insulator werd ook nog in gelijkaardige siliciumstructuren de ramanversterking aangetoond, maar deze was gelimiteerd tot kortstondige pulsen. De reden hiervan is dat er een ongewenst niet-lineair effect optrad: absorptie van 2 fotonen (Figuur 4 b). Dit creëert paren van elektronen en gaten die voor een lange tijd in het silicium aanwezig bleven, deze absorberen dan het pomplicht en het signaallicht, en op deze manier schakelen ze de ramanversterking uit.

4. Evolutie van de siliciumlaser 4.1 De onmogelijke laser?[3] In het verleden werden al veel lasers vervaardigd, als basismateriaal werd zowel neon, saffier en vele andere substanties gebruikt. Silicium daarentegen werd nooit gezien als een kandidaat om een laser uit te vervaardigen. Dit omwille van de atoomstructuur van silicium die dit niet toeliet, er kon geen perfecte uitlijning van elektronen tot stand komen en dus kon er ook geen licht geëmitteerd worden.

Maar een trio van Brown University researcher's, geleid door professor Jimmy Xu, heeft het onmogelijke mogelijk gemaakt, door de eerste direct “pumped” silicium laser te vervaardigen. Dit door een biljoen aantal gaten te boren in een heel kleine oppervlakte silicium gebruik makend van een masker. Hiermee veranderden ze de originele atomische structuur van silicium. Het resultaat: zwak maar echt laser licht!


11

Figuur 5: Het masker dat gebruikt werd om de gaten in het silicium te 'boren'

Figuur 6: Het resultaat in silicium

De achterliggende reden waarom de lichtemissie uit silicium onrealiseerbaar was, is onder andere de ongeschikte kristal structuur van het silicium, maar ook de elektronen die nodig zijn om het laserlicht te realiseren, werden te ver van elkaar gegenereerd. Door de afstand tussen de elektronen te overbruggen zou men eventueel tot een resultaat kunnen komen, daarvoor zouden de elektronen op het juiste moment en de juiste plaats elkaar moeten ontmoeten. In het verleden hebben wetenschappers reeds meerdere pogingen ondernomen om silicium chemisch aan te passen. Maar er ging meer licht verloren dan er gecreëerd werd. Daarom behandelden professor Xu en zijn team het probleem op een andere manier en ze veranderden de structuur van silicium door atomen te verwijderen.

Dit werd dus gerealiseerd door gaten te boren in het materiaal zoals eerder vermeld. Meer in het bijzonder gebruikten ze hiervoor een “masker” van ongeveer 1mm². Het masker bevatte biljoenen kleine gaatjes, allemaal uniform van grootte en exact geordend. Dit masker werd over een klein deeltje silicium geplaatst en gebombardeerd met een ionenstraal. Na dit proces herstructureerde de silicium atomen zich naast de gaten en werd de afstand tussen de elektronen overbrugd. Dit was de manier waarop lichtemissie tot stand kwam.


12

Het nieuwe silicium is herhaaldelijk getest om zich ervan te verzekeren dat het licht voldeed aan de basis criteria van laserlicht, zoals het threshold gedrag, de optische versterking, de spectrale componenten, enzovoort.

4.2 De uitdaging De uitdaging die komt kijken bij silicium fototechnologie ligt eigenlijk bij een puur fysisch probleem van silicium, silicium kan namelijk geen licht emitteren op een efficiënte manier. Terwijl het wel de mogelijkheid bezit om aan routing, modulatie en detectie van licht te doen. Silicium heeft steeds een externe lichtbron nodig om het initiële licht te leveren.

Deze externe licht bronnen zijn meestal discrete lasers en een uitlijning van deze laser ten opzichte van de golfgeleider (kanaal) is steeds nodig. Zoals eerder vermeld is het probleem dat de uitlijning heel moeilijk is en dat dit een duur iets is om te verwezenlijken. Zelfs een kleine fout in de uitlijning kan er voor zorgen dat het hele onderdeel niet meer tot een goed resultaat leidt.

Een hoofddoel was de creatie van een laserbron en dan wel rechtstreeks op het silicium zodat er van uitlijning geen sprake meer was, zodat men op deze manier aan massa productie zou kunnen doen.

Om dit alles te bereiken zijn er natuurlijke enkele stappen doorlopen, hierbij speelde het ramaneffect een heel belangrijke rol. Deze werd gebruikt om mede de ‘silicon-on-insulator’ structuur te ontwikkelen. Maar verder werden er nog andere technologieën ontwikkeld zoals de hybride laser.

4.3 Van een onmogelijke laser naar een continue laser straal[7] De eerder genoemde ‘silicon-on-structuur’ - die werkt met dunne lagen van silicium met hoge en lage brekingsindex - zorgde ervoor dat met deze technologie in silicium een vorm gecreëerd kon worden, omgeven door silicium, die in staat was licht te geleiden met lage verliezen (zie Figuur 7).


13

Figuur 7: Dwarsdoorsnede van de siliciumlaser die ontworpen werd door Rong. Een kanaal bestaande uit silicium, omgeven door siliciumoxide (SiO2)

Het ontwerp zichtbaar in Figuur 7 werd ontworpen door Rong. Deze persoon, die aan het hoofd van het Intel lab staat, is er uiteindelijk in geslaagd met deze technologie een silicium laser te ontwerpen die zorgde voor een continue laser straal. Dit is 1 van de grootste vooruitgangen in het ontwerp omtrent silicium lasers. Wat onmogelijk was is mogelijk gemaakt. Waar vroeger geen laser licht kon ontstaan uit silicium, werd plots een laser gemaakt die toch gepulseerd licht naar buiten kon brengen, al kon men deze laser niet gebruiken in toepassingen. De stap naar het aanbrengen van een p-junctie en een n-junctie in het silicium was klein, dit was de oplossing om een continue straal aan laser licht uit het silicium te krijgen. Natuurlijk zal optisch ‘pumping’ nodig zijn als men deze techniek wil gebruiken. Rong toonde ook aan dat men met deze technologie ook de mogelijkheid creëert om het optisch vermogen, dat geëmitteerd wordt door de laser, te controleren. En dit zou dus ook kunnen gebruikt worden in informatie transport processen.

4.4 De hybride silicium laser.[2]

4.4.1 Inleiding Op 18 september 2006, kondigde Intel en de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB) de demonstratie van de eerste elektrisch gestuurde hybride silicium laser op de wereld aan. Dit instrument integreert op een succesvolle manier de geleidende eigenschappen van licht in silicium met de opwekkende eigenschappen van licht in


14

indiumfosfide. De onderzoekers geloven dat deze ontwikkeling een belangrijke stap betekent in de toekomst naar silicium lasers. Het integreren van honderden silicium lasers in 1 chip zou perfect mogelijk zijn en dit op een zeer goedkope manier. Deze technologie zal in de toekomst gebruikt worden in en rond Pc’s, servers en data centers.

4.4.2 De aankondiging Tot hiervoor werd laser licht voorzien in een silicium chip op 2 manieren: o

Er werd een bestaande laser gekoppeld aan de silicium chip met een golfgeleider (kanaal waar licht doorloopt).

o

Of er werd een externe hoogvermogen laser naast de chip geplaatst en op deze manier werd via een optische vezel het licht naar de chip geleid.

Deze twee methoden zijn duur en zijn niet praktisch genoeg om aan hoge volumes te produceren.

Deze nieuwe laser krijgt de term “hybride” met zich mee, dit omdat er 2 soorten materialen gecombineerd worden: silicium en een indiumfosfide gebaseerd materiaal. Het indiumfosfide gebaseerde materiaal is een component die al veel gebruikt wordt in commerciële communicatie lasers.

Bij deze technologie zijn twee aspecten van belang: o

Een nieuw ontwerp wordt ontwikkeld, waarbij een indiumfosfide gebaseerd materiaal gebruikt voor generatie en versterking van licht gekoppeld aan een silicium golfgeleider (waveguide, kanaal) die de laser caviteit vormt en de laser werking ondersteund.

o

Een uniek proces dat een “lijm” creëert die deze twee materialen aan elkaar hecht wordt noodzakelijk. Deze lijm is niet dikker dan 25 atomen. In dit proces wordt het indiumfosfide gebonden met de siliciumchip. Deze binding heeft geen uitlijning nodig ten opzichte van de silicium golfgeleider (waveguide).

Wanneer er spanning op de chip wordt geplaatst, zal het licht zich verplaatsen in de golfgeleider van het silicium, dit licht ontstaat uit het indiumfosfide. Dit is het principe van de hybride laser.


15

4.3 De werking In Figuur 8 ziet men een dwarse doorsnede van de hybride laser, waarin men het indiumfosfide gebaseerde materiaal (oranje) ziet, dit genereert het laser licht en is “gelijmd” bovenop de silicium golfgeleider (waveguide, grijs).

Figuur 8: Dwarsdoorsnede van de hybride siliciumlaser

Het silicium substraat dat zich helemaal onderaan bevind is de basis waarop de andere onderdelen geplaatst zijn. Op dit substraat rust de silicium golfgeleider (waveguide). Deze 2 zijn vervaardigd uit standaard silicium. Daarna zijn de siliciumlaag en de indiumfosfide gebaseerde laag blootgesteld aan een oxide plasma, dat een dunne laag oxide achterlaat op de oppervlakten dit reageert als een lijm laag. De oxidelaag is slecht 25 atomen dik, toch is het sterk genoeg om de 2 lagen te binden tot een enkele component.

Wanneer het silicium en de indiumfosfide gebaseerde laag opgewarmd worden en samengeperst worden, dan zullen de 2 oxide lagen op beide oppervlakten de silicium laag en de indiumfosfide laag aan elkaar hechten.

De elektrische contacten, die men ook in Figuur 9 aantreft, worden nadien aangebracht. Wanneer er nu een spanning wordt aangebracht op deze contacten, zullen elektronen van het negatieve contact naar het positieve contact vloeien. Wanneer deze de gaten ontmoeten in de semi-conductor band, genereren ze een foton (lichtdeeltje). De mogelijkheid om licht te genereren op deze manier is dus 1 van de eigenschappen van indiumfosfide. Silicium is een slecht licht geleider omdat het warmte genereert, in plaats van licht wanneer er elektriciteit wordt op aangebracht, vandaar dus de nood aan indiumfosfide gebaseerd materiaal.

Zoals men kan zien in de Figuur 9 zal het gegenereerde licht in het indiumfosfide gebaseerd materiaal direct door de lijm laag gaan naar de silicium golfgeleider (waveguide), deze zal


16

reageren als een laser caviteit om dusdanig de hybride silicium laser te creëren. Het ontwerp van de individuele silicium golfgeleider is kritisch om de prestatie van de hybride silicium laser te verbeteren, men zal in de toekomst hybride lasers kunnen ontwerpen die specifieke golflengtes produceren.

Figuur 9: Werking van de hybride laser. Wanneer een spanning wordt aangelegd aan de contacten, vloeit er stroom. De elektronen (-) en gaten (+) recombineren in het centrum en genereren licht.

6. Besluit De laatste jaren is de zoektocht naar de siliciumlaser in een stroomversnelling gekomen. Hoewel vroeger werd aangenomen dat het construeren van een dergelijke laser een onmogelijke opgave was, is men zich gaan toespitsen op de 2 grote knelpunten bij deze technologie: efficiënte uitzending van licht en de versterking van het gegenereerde laserlicht. Op verschillende manieren heeft men geprobeerd om deze problemen op te lossen, van het veranderen van de structuur van het silicium zelf, over het gebruik van externe lasers, tot het aanwenden van andere materialen. De ene methode was al meer succesvol dan de andere. Maar met elk nieuw ontwerp komt men een stap dichter bij een volwaardige en commercieel bruikbare technologie. Dat zoveel geïnvesteerd wordt in deze zoektocht, is voor een groot deel het gevolg van de vele voordelen die een on-chip siliciumlaser met zich zou meebrengen: snellere computersystemen, meer rekenkracht, grotere bandbreedte van communicatiesystemen… De vooruitgang van de computersystemen zou door deze nieuwe technologie, in een hogere versnelling kunnen gebracht worden. Er is echter nog heel wat werk aan de winkel en we hebben het hier niet alleen over het fysische aspect. Zo zullen er misschien weer nieuwe standaarden ontwikkeld moeten worden voor de chip-chip communicatie. Een laptop waar de chips optisch met elkaar communiceren, is nog niet direct voor morgen. Dat staat vast.


17

7. Referentielijst [1]

VBDS.nl Nieuwsarchief 2006: Revolutie in informatieverwerking verwacht: silicium laser chip van Intel. (2006) http://www.vbds.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=464&Itemid=58

[2]

A Hybrid Silicon Laser, Silicon photonics technology for future tera-scale computing. (2006) http://ceem.engr.ucsb.edu/bowers/hybrid_laser_white_paper.pdf

[3]

Photonics.com: Brown Team Creates 'Impossible' Silicon Laser. (2005)

http://www.photonics.com/content/news/2005/November/21/57728.aspx [4]

Wikipedia, The Free Encyclopedia, Raman Spectroscopy http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy

[5]

Wikipedia, The Free Encyclopedia, Raman Scattering http://en.wikipedia.org/wiki/Raman_scattering

[6]

Silicon Photonics Research at Intel® http://www.intel.com/research/platform/sp/

[7]

Silicon Shines On, by Jerome Faist, Nature http://www.intel.com/pressroom/kits/laser/index.htm

[8] Raman-Based Silicon Photonics,Bahram, Varun Raghunathan, Dimitri Dimitropoulos,O¨ zdal Boyraz (2006)

http://www.ee.ucla.edu/~oecs/comp_pub/intr_opt/Optics113.pdf

Studieopdracht Optische Communicatie - H05H6a - De Onmogelijke Laser: Silicium

Recommend Documents