Laseri s kvantnom točkom na bazi silicija integrirani s monolitima silicijevog valovoda
Optoelektronički čipovi temeljeni na siliciju imaju širok raspon primjena u umjetnoj inteligenciji, podatkovnim centrima hiperrazmjera, računalstvu visokih performansi, radaru koji emitira svjetlost (LIDAR) i mikrovalnoj fotonici. Monolitno integrirani laseri temeljeni na siliciju imaju prednosti male potrošnje energije i visoke integracije, što je budući trend razvoja optičkih interkonekcija i optičkih komunikacijskih čipova velike brzine. Posljednjih je godina izravan epitaksijalni rast lasera s kvantnom točkom (QD) grupe III-V na silicijskim supstratima postigao značajan napredak, postavljajući čvrste temelje za optoelektroničku integraciju temeljenu na siliciju, ali monolitna integracija lasera na bazi silicija i optoelektroničkih uređaja još nije realiziran.
Jianjun Zhang, Ting Wang i Zihao Wang s Instituta za fiziku Kineske akademije znanosti (IPS)/Nacionalnog istraživačkog centra za fiziku kondenzirane tvari (NRCP) u Pekingu fokusirali su se na izvore svjetlosti na čipu temeljene na siliciju za velike razmjera optoelektroničke integracije temeljene na siliciju posljednjih godina, te su napravili značajan napredak u smjeru integrabilnih lasera temeljenih na siliciju, koji je na čelu relevantnih međunarodnih istraživačkih polja. Njegovi reprezentativni radovi posljednjih godina uključuju realizaciju najšireg češljastog lasera s kvantnom točkom s ravnom vrhom, s brzinom prijenosa od 4,8 Tbit/s za niz od četiri lasera (Photon. Res. 2022; 10, 1308), i realizacija lasera s kvantnim točkama epitaksijalne skupine III-V na siliciju s uskom širinom linije fazno moduliranim zaključavanjem samoinjektiranja (Photon. Res. 2022; 10, 1308), kao i realizacija lasera s kvantnim točkama epitaksijalne skupine III-V na silicij fazno moduliranim zaključavanjem samoinjektiranja (Photon. Res. 2022; 10, 1840); i pionir u realizaciji monolitno integriranih InAs kvantnih točkastih lasera s jednim poprečnim modom baziranim na SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Tim je nedavno surađivao s Yikai Su i Xuhan Guo sa šangajskog sveučilišta Jiaotong i Wenqi Wei iz Songshan Lake Materials Laboratory, itd. Na temelju timovih prethodnih visokokvalitetnih III-V materijala na bazi silicija, tim predlaže silicij- temeljena ugrađena metoda epitaksije za integraciju InAs/GaAs lasera s kvantnim točkama i silicijskih valovoda na istoj SOI podlozi (Sl. 1), koja uspješno propušta svjetlost iz lasera na bazi silicija kroz Istraživači su uspješno spojili svjetlost iz lasera na bazi silicija. na silicijski valovod kroz čeonu površinu, ostvarujući monolitnu integraciju lasera i valovoda po prvi put, što je recenzent ocijenio kao "izvrstan istraživački rad s velikim znanstvenim i tehnološkim učincima, a to je značajan napredak u području integrirana fotonika".
Istraživači su istraživali LI krivulje ugrađenog lasera pri različitim temperaturama i izlaznu snagu nakon spajanja. Temperatura pobude lasera u načinu rada struje kontinuiranog vala (CW) može biti do 95 stupnjeva ili više, sa strujom praga sobne temperature od oko 50 mA i maksimalnom izlaznom snagom od 37 mW pri struji ubrizgavanja od 250 mA . Pri struji ubrizgavanja od 210 mA, ugrađeni laser emitira optičku snagu od 6,8 mW spojenu na silicijski valovod (slika 2). Osim toga, otkriveno je da rubne spojnice s višestrukim suženim vrhovima imaju veću učinkovitost spajanja i bolju toleranciju na poravnanje od uobičajenih obrnuto suženih spojnica s jednim vrhom zbog njihove veličine točke koja je sličnija profilu moda lasera.
Rezultati studije nedavno su objavljeni u Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), s prvim autorima Wenqi Wei, postdoktorandom na Institutu za fiziku, CAS (sada pridruženi istraživač u Songshan Lake Materials Laboratory), Majestic Yang, doktorand, Hao Zi, suradnik u istraživanju, i An He, doktorand na šangajskom sveučilištu Jiaotong. Dr. Hao Wang, pridruženi istraživač, i An He, dr. Autori za dopisivanje su znanstveni suradnik Jianjun Zhang, pridruženi znanstveni suradnik Ting Wang, prof. Yikai Su i izvanredni prof. Xuhan Guo.
Gornji istraživački rad poduprli su Nacionalni ključni istraživački i razvojni program Kine, Nacionalni fond za izvrsnu prirodnu znanost za mlade i Fond najviše razine te Odbor za promicanje mladih Kineske akademije znanosti.
Monolitna integracija kvantnih točkastih lasera na bazi silicija sa silicijskim valovodima
Slika 1. Laser i valovodni monolitni integrirani uređaj
Slika 2. Radne karakteristike lasera s integriranim III-V kvantnim točkama baziranih na SOI
