Kiselbaserade kvantpunktslasrar integrerade med kiselvågledarmonoliter
Kiselbaserade optoelektroniska chips har ett brett utbud av applikationer inom artificiell intelligens, hyperskala datacenter, högpresterande beräkningar, ljusemitterande radar (LIDAR) och mikrovågsfotonik. Monolitiskt integrerade kiselbaserade lasrar har fördelarna med låg strömförbrukning och hög integration, vilket är den framtida utvecklingstrenden av optiska sammankopplingar och höghastighets optiska kommunikationschips. Under de senaste åren har den direkta epitaxiella tillväxten av grupp III-V kvantpunktslasrar (QD) på kiselsubstrat gjort anmärkningsvärda framsteg, och lagt en solid grund för kiselbaserad optoelektronisk integration, men den monolitiska integrationen av kiselbaserade lasrar och optoelektroniska enheter har ännu inte realiserats.
Jianjun Zhang, Ting Wang och Zihao Wang vid Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences (IPS)/National Research Center for Condensed Matter Physics (NRCP) i Peking har fokuserat på kiselbaserade on-chip-ljuskällor för stora- skala kiselbaserad optoelektronisk integration under de senaste åren, och har gjort betydande framsteg i riktning mot kiselbaserade integrerbara lasrar, som ligger i framkant av de relevanta internationella forskningsområdena. Hans representativa arbeten under de senaste åren inkluderar förverkligandet av den bredaste kvantpunktsfrekvenskamlasern med platt topp, med en överföringshastighet på 4,8 Tbit/s för en fyralasermatris (Photon. Res. 2022; 10, 1308), och realisering av epitaxiella grupp III-V kvantpunktslasrar på kisel med smal linjebredd genom fasmodulerad självinjektionslåsning (Photon. Res. 2022; 10, 1308), samt realisering av epitaxiella grupp III-V kvantpunktslasrar på kisel genom fasmodulerad självinsprutningslåsning (Photon. Res. 2022; 10, 1840); och banade väg för förverkligandet av SOI-baserade monolitiskt integrerade InAs kvantpunktslasrar för enkel transversellt läge (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Teamet har nyligen samarbetat med Yikai Su och Xuhan Guo från Shanghai Jiaotong University och Wenqi Wei från Songshan Lake Materials Laboratory, etc. På basis av teamets tidigare högkvalitativa kiselbaserade III-V-material föreslår teamet ett kisel- baserad inbäddad epitaximetod för att integrera InAs/GaAs kvantpunktslasrar och kiselvågledare på samma SOI-substrat (Fig. 1), som framgångsrikt passerar ljuset från kiselbaserade lasrar genom Forskarna har framgångsrikt kopplat ljuset från en kiselbaserad laser. till en vågledare av kisel genom ändytan, för att för första gången realisera den monolitiska integrationen av laser och vågledare, vilket utvärderades av granskaren som "ett utmärkt forskningsarbete med stor vetenskaplig och teknisk inverkan, och detta är ett betydande framsteg inom området för integrerad fotonik".
Forskarna undersökte den inbäddade laserns LI-kurvor vid olika temperaturer och uteffekten efter koppling. Laserexciteringstemperaturen i driftläge med kontinuerlig våg (CW) kan vara upp till 95 grader eller mer, med en tröskelström för rumstemperatur på cirka 50 mA och en maximal uteffekt på 37 mW vid en insprutningsström på 250 mA . Vid en injektionsström på 210 mA avger den inbäddade lasern en optisk effekt på 6,8 mW kopplad till en kiselvågledare (fig. 2). Dessutom fann man att kantkopplare med flera avsmalnande spetsar har högre kopplingseffektivitet och bättre inriktningstolerans än de vanliga omvänt koniska kopplarna med en enda spets på grund av deras punktstorlek som är mer lik laserns lägesprofil.
Resultaten av studien publicerades nyligen i Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), med förstaförfattarna Wenqi Wei, en postdoktor vid Institute of Physics, CAS (nu en associerad forskare vid Songshan Lake Materials Laboratory), Majestic Yang, en doktorand, Hao Zi, en associerad forskare, och An He, en doktorand vid Shanghai Jiaotong University. Dr Hao Wang, biträdande forskare, och An He, Ph. Motsvarande författare är forskarassistent Jianjun Zhang, biträdande forskarassistent Ting Wang, professor Yikai Su och biträdande professor Xuhan Guo.
Ovanstående forskningsarbete stöddes av Kinas nationella nyckelforsknings- och utvecklingsprogram, National Natural Science Outstanding Youth Fund och Top-level Fund, och Youth Promotion Committee of the Chinese Academy of Sciences.
Monolitisk integration av kiselbaserade kvantpunktslasrar med kiselvågledare
Figur 1. Laser och vågledare monolitisk integrerad enhet
Figur 2. Driftsegenskaper för SOI-baserade integrerade III-V kvantpunktslasrar
