Siliciumbaserede kvantepunktlasere integreret med siliciumbølgeledermonoliter
Siliciumbaserede optoelektroniske chips har en bred vifte af applikationer inden for kunstig intelligens, hyperskala datacentre, højtydende databehandling, lysemitterende radar (LIDAR) og mikrobølgefotonik. Monolitisk integrerede siliciumbaserede lasere har fordelene ved lavt strømforbrug og høj integration, som er den fremtidige udviklingstrend for optiske sammenkoblinger og højhastigheds optiske kommunikationschips. I de senere år har den direkte epitaksiale vækst af gruppe III-V kvantepunktlasere (QD) på siliciumsubstrater gjort bemærkelsesværdige fremskridt, hvilket har lagt et solidt grundlag for siliciumbaseret optoelektronisk integration, men den monolitiske integration af siliciumbaserede lasere og optoelektroniske enheder er endnu ikke realiseret.
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 fokuseret på silicium-baserede on-chip lyskilder til store- skala silicium-baseret optoelektronisk integration i de seneste år, og har gjort betydelige fremskridt i retning af silicium-baserede integrerbare lasere, som er på forkant med de relevante internationale forskningsfelter. Hans repræsentative værker i de senere år omfatter realiseringen af den bredeste kvantepunkt-frekvenskamlaser med flad top, med en transmissionshastighed på 4,8 Tbit/s for et firelaser-array (Photon. Res. 2022; 10, 1308) og realisering af epitaksiale gruppe III-V kvantepunktlasere på silicium med snæver linjebredde ved fasemoduleret selvinjektionslåsning (Photon. Res. 2022; 10, 1308), samt realisering af epitaksiale gruppe III-V kvantepunktlasere på silicium ved fasemoduleret selvinjektionslåsning (Photon. Res. 2022; 10, 1840); og var banebrydende i realiseringen af SOI-baserede monolitisk integrerede InAs kvanteprik enkelt transversal mode lasere (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Holdet har for nylig samarbejdet med Yikai Su og Xuhan Guo fra Shanghai Jiaotong University og Wenqi Wei fra Songshan Lake Materials Laboratory osv. På baggrund af teamets tidligere højkvalitets siliciumbaserede III-V materialer foreslår teamet en silicium- baseret indlejret epitaksimetode til at integrere InAs/GaAs kvantepunktlasere og siliciumbølgeledere på det samme SOI-substrat (fig. 1), som med succes passerer lyset fra siliciumbaserede lasere gennem forskerne med succes koblet lyset fra en siliciumbaseret laser. til en siliciumbølgeleder gennem endefladen, der for første gang realiserede den monolitiske integration af laser og bølgeleder, som blev vurderet af anmelderen som "et fremragende forskningsarbejde med stor videnskabelig og teknologisk virkning, og dette er et betydeligt fremskridt inden for området integreret fotonik".
Forskerne undersøgte den indlejrede lasers LI-kurver ved forskellige temperaturer og udgangseffekten efter kobling. Laserexcitationstemperaturen i kontinuerlig bølge (CW) strømdriftstilstand kan være op til 95 grader eller mere, med en rumtemperaturtærskelstrøm på omkring 50 mA og en maksimal udgangseffekt på 37 mW ved en injektionsstrøm på 250 mA . Ved en injektionsstrøm på 210 mA udsender den indlejrede laser en optisk effekt på 6,8 mW koblet til en siliciumbølgeleder (fig. 2). Derudover blev det fundet, at kantkoblere med flere tilspidsede spidser har højere koblingseffektivitet og bedre justeringstolerance end de almindelige omvendt-tilspidsede koblinger med en enkelt spids på grund af deres pletstørrelse, der minder mere om laserens tilstandsprofil.
Resultaterne af undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), med førsteforfatterne Wenqi Wei, en postdoc-stipendiat ved Institute of Physics, CAS (nu en associeret forsker ved Songshan Lake Materials Laboratory), Majestic Yang, en doktorand, Hao Zi, en associeret forsker, og An He, en doktorand ved Shanghai Jiaotong University. Dr. Hao Wang, Associate Researcher, og An He, Ph. Tilsvarende forfattere er forskningsstipendiat Jianjun Zhang, Associate Research Fellow Ting Wang, Prof. Yikai Su og Associate Prof. Xuhan Guo.
Ovenstående forskningsarbejde blev støttet af Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram, National Natural Science Outstanding Youth Fund og Top-level Fund, og Youth Promotion Committee of the Chinese Academy of Sciences.
Monolitisk integration af siliciumbaserede kvantepunktlasere med siliciumbølgeledere
Figur 1. Laser og bølgeleder monolitisk integreret enhed
Figur 2. Driftskarakteristika for SOI-baserede integrerede III-V kvantepunktlasere
