Базирани на силиций квантови точкови лазери, интегрирани със силициеви вълноводни монолити
Базираните на силиций оптоелектронни чипове имат широк спектър от приложения в областта на изкуствения интелект, хипермащабните центрове за данни, високопроизводителните изчисления, светоизлъчващия радар (LIDAR) и микровълновата фотоника. Монолитно интегрираните базирани на силиций лазери имат предимствата на ниска консумация на енергия и висока интеграция, които са бъдещата тенденция на развитие на оптичните връзки и високоскоростните оптични комуникационни чипове. През последните години директният епитаксиален растеж на лазерите с квантови точки (QD) от група III-V върху силициеви субстрати постигна забележителен напредък, поставяйки солидна основа за базирана на силиций оптоелектронна интеграция, но монолитната интеграция на базирани на силиций лазери и оптоелектронни устройства все още не е реализиран.
Jianjun Zhang, Ting Wang и Zihao Wang от Института по физика, Китайската академия на науките (IPS)/Националния изследователски център за физика на кондензираната материя (NRCP) в Пекин се фокусират върху базирани на силиций източници на светлина върху чип за големи мащабна оптоелектронна интеграция на базата на силиций през последните години и постигнаха значителен напредък в посоката на базирани на силиций интегрируеми лазери, което е в челните редици на съответните международни изследователски области. Неговите представителни работи през последните години включват реализацията на най-широкия честотен гребен лазер с квантова точка с плосък връх, със скорост на предаване от 4,8 Tbit/s за масив от четири лазера (Photon. Res. 2022; 10, 1308) и реализация на лазери с квантови точки от епитаксиална група III-V върху силиций с тясна ширина на линията чрез фазово модулирано самоинжектиране на заключване (Photon. Res. 2022; 10, 1308), както и реализация на лазери с квантови точки от епитаксиална група III-V върху силиций чрез фазово модулирано самоинжектиране заключване (Photon. Res. 2022; 10, 1840); и е пионер в реализацията на базирани на SOI монолитно интегрирани InAs квантови точкови лазери с единичен напречен режим (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Екипът наскоро си сътрудничи с Yikai Su и Xuhan Guo от Шанхайския университет Jiaotong и Wenqi Wei от Songshan Lake Materials Laboratory и т.н. Въз основа на предишни висококачествени III-V базирани на силиций материали, екипът предлага силициево- базиран вграден метод на епитаксия за интегриране на InAs/GaAs лазери с квантови точки и силициеви вълноводи върху един и същ SOI субстрат (фиг. 1), който успешно пропуска светлината от силициеви лазери през Изследователите успешно свързаха светлината от силициев лазер към силициев вълновод през края, реализирайки монолитната интеграция на лазер и вълновод за първи път, което беше оценено от рецензента като „отлична изследователска работа с големи научни и технологични въздействия и това е значителен напредък в областта на интегрирана фотоника“.
Изследователите изследваха LI кривите на вградения лазер при различни температури и изходната мощност след свързване. Температурата на възбуждане на лазера в режим на работа с непрекъснат ток (CW) може да бъде до 95 градуса или повече, с прагов ток на стайна температура от около 50 mA и максимална изходна мощност от 37 mW при ток на инжектиране от 250 mA . При ток на инжектиране от 210 mA, вграденият лазер извежда оптична мощност от 6,8 mW, свързана със силициев вълновод (фиг. 2). Освен това беше установено, че крайните съединители с множество заострени върхове имат по-висока ефективност на свързване и по-добра толерантност към подравняване от обикновените обратно заострени съединители с един връх поради техния размер на петна, който е по-сходен с профила на режима на лазера.
Резултатите от проучването бяха публикувани наскоро в Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), с първи автори Wenqi Wei, постдокторант в Института по физика, CAS (сега асоцииран изследовател в лабораторията за материали на езерото Songshan), Majestic Yang, докторант, Hao Zi, асоцииран изследовател, и An He, докторант в Shanghai Jiaotong University. Д-р Хао Уанг, асоцииран изследовател, и Ан Хе, доктор Кореспондентни автори са научен сътрудник Jianjun Zhang, асоцииран научен сътрудник Ting Wang, проф. Yikai Su и доц. Xuhan Guo.
Горната изследователска работа беше подкрепена от Националната ключова програма за научни изследвания и развитие на Китай, Националния фонд за изключителна младеж в областта на природните науки и Фонда на най-високо ниво и Комитета за насърчаване на младежта на Китайската академия на науките.
Монолитна интеграция на базирани на силиций квантови точкови лазери със силициеви вълноводи
Фигура 1. Лазерно и вълноводно монолитно интегрирано устройство
Фигура 2. Работни характеристики на базирани на SOI интегрирани III-V лазери с квантови точки
