Silisiumbaserte kvantepunktlasere integrert med silisiumbølgeledermonolitter
Silisiumbaserte optoelektroniske brikker har et bredt spekter av bruksområder innen kunstig intelligens, hyperskala datasentre, høyytelses databehandling, lysemitterende radar (LIDAR) og mikrobølgefotonikk. Monolitisk integrerte silisiumbaserte lasere har fordelene med lavt strømforbruk og høy integrasjon, som er den fremtidige utviklingstrenden for optiske sammenkoblinger og høyhastighets optiske kommunikasjonsbrikker. De siste årene har den direkte epitaksiale veksten av gruppe III-V kvantepunktlasere (QD) på silisiumsubstrater gjort bemerkelsesverdige fremskritt, og har lagt et solid grunnlag for silisiumbasert optoelektronisk integrasjon, men den monolittiske integrasjonen av silisiumbaserte lasere og optoelektroniske enheter er ennå ikke realisert.
Jianjun Zhang, Ting Wang og Zihao Wang ved Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences (IPS)/National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP) i Beijing har fokusert på silisiumbaserte lyskilder på brikken for store- skala silisiumbasert optoelektronisk integrasjon de siste årene, og har gjort betydelige fremskritt i retning av silisiumbaserte integrerbare lasere, som er i forkant av de relevante internasjonale forskningsfeltene. Hans representative arbeider de siste årene inkluderer realiseringen av den bredeste kvantepunkt-frekvenskamlaseren med flat topp, med en overføringshastighet på 4,8 Tbit/s for en firelaser-array (Photon. Res. 2022; 10, 1308), og realisering av epitaksiale gruppe III-V kvantepunktlasere på silisium med smal linjebredde ved fasemodulert selvinjeksjonslåsing (Photon. Res. 2022; 10, 1308), samt realisering av epitaksiale gruppe III-V kvantepunktlasere på silisium ved fasemodulert selvinjeksjonslåsing ( Photon. Res. 2022; 10, 1840); og var banebrytende i realiseringen av SOI-baserte monolittisk integrerte InAs kvantepunkt-single tverrmoduslasere (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Teamet har nylig samarbeidet med Yikai Su og Xuhan Guo fra Shanghai Jiaotong University og Wenqi Wei fra Songshan Lake Materials Laboratory, etc. På grunnlag av teamets tidligere høykvalitets silisiumbaserte III-V-materialer, foreslår teamet en silisium- basert innebygd epitaksimetode for å integrere InAs/GaAs kvantepunktlasere og silisiumbølgeledere på det samme SOI-substratet (fig. 1), som passerer lyset fra silisiumbaserte lasere gjennom forskerne vellykket koplet lyset fra en silisiumbasert laser. til en silisiumbølgeleder gjennom endeflaten, og realiserte den monolittiske integrasjonen av laser og bølgeleder for første gang, som ble evaluert av anmelderen som "et utmerket forskningsarbeid med stor vitenskapelig og teknologisk innvirkning, og dette er en betydelig fremgang innen feltet av integrert fotonikk".
Forskerne undersøkte den innebygde laserens LI-kurver ved forskjellige temperaturer og utgangseffekten etter kobling. Lasereksitasjonstemperaturen i driftsmodus for kontinuerlig bølge (CW) kan være opptil 95 grader eller mer, med en romtemperaturterskelstrøm på ca. 50 mA, og en maksimal utgangseffekt på 37 mW ved en injeksjonsstrøm på 250 mA . Ved en injeksjonsstrøm på 210 mA gir den innebygde laseren en optisk effekt på 6,8 mW koblet til en silisiumbølgeleder (fig. 2). I tillegg ble det funnet at kantkoblinger med flere avsmalnende spisser har høyere koblingseffektivitet og bedre innrettingstoleranse enn de vanlige reverskoniske koblingene med en enkelt spiss på grunn av deres punktstørrelse som er mer lik modusprofilen til laseren.
Resultatene av studien ble nylig publisert i Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), med førsteforfatterne Wenqi Wei, en postdoktor ved Institute of Physics, CAS (nå assosiert forsker ved Songshan Lake Materials Laboratory), Majestic Yang, en doktorgradsstudent, Hao Zi, en assisterende forsker, og An He, en doktorgradsstudent ved Shanghai Jiaotong University. Dr. Hao Wang, førsteamanuensis, og An He, Ph. Tilsvarende forfattere er stipendiat Jianjun Zhang, stipendiat Ting Wang, prof. Yikai Su og førsteamanuensis Xuhan Guo.
Ovennevnte forskningsarbeid ble støttet av det nasjonale nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet i Kina, National Natural Science Outstanding Youth Fund og Top-level Fund, og Youth Promotion Committee of the Chinese Academy of Sciences.
Monolittisk integrasjon av silisiumbaserte kvantepunktlasere med silisiumbølgeledere
Figur 1. Laser og bølgeleder monolittisk integrert enhet
Figur 2. Driftsegenskaper for SOI-baserte integrerte III-V kvantepunktlasere
