Los investigadores han destacado el potencial de los sistemas nanofotónicos en chips como solución a los desafíos que presentan las redes eléctricas tradicionales. Estos sistemas utilizan la luz para transmitir datos, ofreciendo mayor ancho de banda y velocidad.
Una nueva publicación de Opto-Electronic Science presenta una descripción general de los micro-LED de matriz de nanocables de pozos cuánticos de múltiples longitudes de onda y alta velocidad para la comunicación óptica en chip de próxima generación.
A medida que la cantidad de núcleos en un procesador continúa creciendo, también aumenta el desafío de conectarlos todos. Las redes eléctricas tradicionales se quedan cortas debido a la latencia, el ancho de banda limitado y el alto consumo de energía.
Los investigadores llevan mucho tiempo buscando una alternativa mejor, y los sistemas de nanofotónica en chips se han convertido en un sustituto prometedor de las redes eléctricas tradicionales. Las redes ópticas en chip utilizan la luz para transmitir datos, lo que ofrece grandes ventajas sobre las señales eléctricas. La luz, al ser más rápida que la electricidad, puede transportar mayores cantidades de datos mediante tecnologías de multiplexación.
La clave para las redes ópticas en chips son fuentes de luz miniaturizadas, como láseres de escala micro/nano o diodos emisores de luz (LED). Sin embargo, la mayoría de los desarrollos en micro/nano-LED se basan en sistemas de materiales de nitruro III en longitudes de onda visibles. Ha habido informes limitados sobre micro-LED infrarrojos de alta velocidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, que son indispensables para el desarrollo futuro de la tecnología Li-Fi, los circuitos integrados fotónicos (PIC) y las aplicaciones biológicas.
Los nanocables de In(Ga)As(P)/InP cultivados epitaxialmente tienen un gran potencial para LED y láseres miniaturizados en el rango de longitud de onda de las telecomunicaciones, ya que su amplia capacidad de sintonización de banda prohibida podría permitir la integración monolítica de fuentes de luz de múltiples longitudes de onda en un solo chip a través de un único epitaxial. crecimiento, que podría aumentar la capacidad de transmisión de datos mediante multiplexación por división de longitud de onda y tecnologías de múltiples entradas y múltiples salidas.
Figura 1. (a) Esquema de la estructura LED de nanocables QW de un solo pin de InGaAs/InP con secciones transversales laterales y verticales. (b) Imagen SEM con una vista inclinada de 30° de la matriz de nanocables con un paso de 800 nm. (c) Imagen transversal de HAADF-STEM de un nanocables que muestra la forma hexagonal y el QW radial bajo diferentes aumentos. (d) Mapas elementales EDX de la región transversal en (c). Crédito: OES
Resultados de investigaciones y demostraciones.
Los autores de este artículo demuestran el crecimiento selectivo del área y la fabricación de LED de matriz de nanocables de un solo pozo cuántico (QW) de pin InGaAs/InP altamente uniformes. La Figura 1 (a, b) muestra el esquema de la estructura del LED QW en un solo nanocable y una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de una matriz de nanocables con una morfología altamente uniforme, respectivamente. La estructura detallada de QW en la dirección radial se revela aún más mediante la imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) en la Figura 1 (c). Para probar la composición del material del QW, también se realizó un análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía en la Figura 1(d), lo que muestra claramente que la región QW de InGaAs es rica en galio y arsénico en comparación con la región de barrera de InP.
Figura 2. (a) Esquema del LED de matriz de nanocables fabricado. (b) Curvas LI y IV de un LED de matriz de nanocables representativo. (c) Espectros EL dependientes del voltaje a temperatura ambiente. ( d ) Espectros EL normalizados dependientes del voltaje de (c). (e) Espectros de emisión espontánea dependientes del voltaje simulados. (f) Espectro de emisión simulado con polarización de 1,2 V, que muestra la contribución desacoplada de los pozos cuánticos axiales y radiales. Crédito: OES
Los LED de nanocables QW exhibieron una fuerte electroluminiscencia (EL) dependiente de la polarización, que se muestra en la Figura 2 (c, d), que cubre longitudes de onda de telecomunicaciones (1,35 ~ 1,6 μm). Se pueden identificar dos picos EL prominentes a partir de los espectros que se muestran en la Figura 2 (d), incluido un pico de longitud de onda larga de ~1,5 μm que se origina en el QW radial y un pico de longitud de onda corta de ~1,35 μm debido a una emisión axial y radial combinada. Preguntas solicitadas. Debido a la presencia de dos picos EL, el ancho total en la mitad del máximo del espectro EL puede alcanzar aproximadamente 286 nm, lo que resulta muy prometedor para aplicaciones de biodetección y tomografía de coherencia óptica. Con una polarización creciente, la gran inyección de portadores llena las bandas de energía en ambas QW, lo que lleva a espectros de emisión ampliados y un cambio en la longitud de onda máxima.
Figura 3: (a) Espectros PL representativos medidos desde la parte superior de matrices de nanocables con diferentes tamaños de paso. (b) Espectros EL medidos con una polarización directa de 1,5 V a partir de LED de matriz de nanocables con diferentes tamaños de paso. (c) Longitud de onda máxima de los espectros EL dependientes de la polarización del LED de matriz de nanocables con diferentes tamaños de paso. (d) Señal TREL recopilada de LED de matriz de nanocables de paso de 0,8 µm a frecuencias de modulación de 0,1, 0,6 y 1 GHz. (e) Imagen SEM inclinada a 30 ° de las matrices de nanocables dispuestas correspondientemente hasta las letras «ANU». (f) Imagen de la cámara infrarroja de la emisión EL de los LED de matriz de nanocables en (e) bajo varios niveles de inyección de corriente. Crédito: OES
Tuning y aplicaciones
La capacidad de sintonización de múltiples longitudes de onda de la matriz de nanocables QW se demostró aún más mediante matrices de nanocables de crecimiento monolítico con diferentes tamaños de paso (es decir, la distancia de centro a centro entre nanocables vecinos en una matriz) en el mismo sustrato.
La Figura 3 (a) muestra espectros de fotoluminiscencia (PL) representativos recopilados de conjuntos de nanocables con diferentes tamaños de paso, que muestran una emisión de PL de longitud de onda más larga a partir de conjuntos de nanocables de paso más grande debido al aumento del espesor de QW o la incorporación de indios al QW.
Luego se fabricaron LED de matriz de nanocables con tamaños de paso de 0,8, 1,0 y 2,0 μm en el mismo sustrato, con espectros de electroluminiscencia (EL) correspondientes a una polarización de 1,5 V, como se muestra en la Figura 3(b), mostrando una constante tendencia como en los espectros PL. La emisión EL del LED de matriz de nanocables de paso más grande se observó en una longitud de onda más larga, con la longitud de onda máxima de los espectros EL dependientes de la polarización extendida a ~1,57 μm (matriz de paso de 0,8 μm) a ~1,67 um (matriz de paso de 2,0 μm). que cubre la banda C de telecomunicaciones.
La Figura 3(c) resume la longitud de onda máxima EL dependiente de la polarización (de 1 a 4 V) para todos los tamaños de paso con un desplazamiento hacia el azul de más de 100 nm obtenido para cada caso, lo que indica una amplia sintonizabilidad de emisión de longitud de onda en todo el régimen de longitud de onda de las telecomunicaciones.
Los LED de nanocables QW basados en matrices también ofrecen un gran potencial para aumentar aún más la capacidad de comunicación mediante la integración de múltiples LED de múltiples longitudes de onda con tamaños muy pequeños en el mismo chip para lograr la multiplexación por división de longitud de onda. Como prueba de concepto, se cultivaron varios conjuntos de micro-LED de tamaño pequeño con tamaños de píxeles inferiores a 5 µm dispuestos con las letras «ANU» en las mismas condiciones utilizadas para el cultivo de conjuntos grandes que se muestran en la Figura 3(e). En la Figura 3(f) se presentan múltiples imágenes de cámaras infrarrojas de múltiples matrices de micro-LED que emiten bajo diversos sesgos, lo que destaca la promesa de integrar múltiples micro-LED de varias longitudes de onda en el mismo chip.
Conclusión
Para concluir, los autores demostraron el crecimiento selectivo del área y la fabricación de micro-LED de matriz de nanocables QW de InGaAs/InP con núcleo de pin altamente uniforme, con QW axiales y radiales que contribuyen a la electroluminiscencia en longitudes de onda de ~1,35 y 1,5 μm, respectivamente. Los espectros de electroluminiscencia LED de la matriz de nanocables exhibieron un fuerte cambio espectral dependiente de la polarización debido al efecto de llenado de banda, lo que indica una operación de múltiples longitudes de onda controlada por voltaje (1,35-1,6 μm) que cubre las longitudes de onda de las telecomunicaciones.
La gran compatibilidad de los LED con matriz de nanocables con multiplexación por división de longitud de onda y tecnologías de múltiples entradas y salidas para comunicaciones de alta velocidad quedó ilustrada aún más por el crecimiento monolítico y la fabricación de LED con matriz de nanocables con diferentes tamaños de paso y tamaños de matriz muy pequeños. (<5 μm de ancho) en el mismo sustrato, así como modulación a nivel de GHz. Este trabajo proporciona una vía prometedora para desarrollar fuentes de luz en chips a nanoescala para sistemas de comunicación óptica integrada de próxima generación.
Referencia: “Micro-LED de matriz de nanocables de pozo cuántico InGaAs/InP de longitud de onda múltiple de alta velocidad para comunicaciones ópticas de próxima generación” por Fanlu Zhang, Zhicheng Su,
Zhe Li, Yi Zhu, Nikita Gagrani, Ziyuan Li, Mark Lockrey, Li Li, Igor Aharonovich, Yuerui Lu, Hark Hoe Tan, Chennupati Jagadish y Lan Fu, 26 de junio de 2023, Ciencia optoelectrónica.
DOI: 10.29026/oes.2023.230003
