Làsers de punts quàntics basats en silici integrats amb monòlits de guies d'ones de silici
Els xips optoelectrònics basats en silici tenen una àmplia gamma d'aplicacions en intel·ligència artificial, centres de dades a hiperescala, informàtica d'alt rendiment, radar d'emissió de llum (LIDAR) i fotònica de microones. Els làsers basats en silici integrats monolíticament tenen els avantatges d'un baix consum d'energia i una alta integració, que són la tendència de desenvolupament futura d'interconnexions òptiques i xips de comunicació òptica d'alta velocitat. En els darrers anys, el creixement epitaxial directe dels làsers de punt quàntic (QD) del grup III-V sobre substrats de silici ha fet un progrés notable, establint una base sòlida per a la integració optoelectrònica basada en silici, però la integració monolítica de làsers i dispositius optoelectrònics basats en silici. encara no s'ha realitzat.
Jianjun Zhang, Ting Wang i Zihao Wang de l'Institut de Física de l'Acadèmia Xinesa de Ciències (IPS)/Centre Nacional de Recerca de Física de la Matèria Condensada (NRCP) a Pequín s'han centrat en fonts de llum en xip basades en silici per a grans dimensions. integració optoelectrònica basada en silici a escala en els darrers anys, i han avançat significativament en la direcció dels làsers integrables basats en silici, que es troba a l'avantguarda dels camps de recerca internacionals rellevants. Els seus treballs representatius dels darrers anys inclouen la realització del làser de pinta de freqüència de punt quàntic de punta plana més ample, amb una velocitat de transmissió de 4,8 Tbit/s per a una matriu de quatre làser (Photon. Res. 2022; 10, 1308) i el realització de làsers de punt quàntic del grup epitaxial III-V sobre silici amb una amplada de línia estreta mitjançant bloqueig d'autoinjecció modulada en fase (Photon. Res. 2022; 10, 1308), així com la realització de làsers de punt quàntic del grup epitaxial III-V a silici mitjançant bloqueig d'autoinjecció modulat en fase ( Photon. Res. 2022; 10, 1840); i va ser pioner en la realització de làsers de mode transversal únic de punt quàntic InAs integrats monolíticament basats en SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). L'equip ha col·laborat recentment amb Yikai Su i Xuhan Guo de la Universitat Jiaotong de Xangai i Wenqi Wei del Laboratori de Materials del Llac Songshan, etc. A partir dels materials III-V basats en silici d'alta qualitat de l'equip, l'equip proposa un silici- mètode d'epitaxia incrustat per integrar làsers de punt quàntic InAs/GaAs i guies d'ona de silici en el mateix substrat SOI (Fig. 1), que passa amb èxit la llum dels làsers basats en silici a través del. Els investigadors van acoblar amb èxit la llum d'un làser basat en silici. a una guia d'ona de silici a través de la cara final, realitzant per primera vegada la integració monolítica del làser i la guia d'ones, que va ser avaluada pel revisor com "un treball de recerca excel·lent amb grans impactes científics i tecnològics, i aquest és un avenç significatiu en el camp de la fotònica integrada".
Els investigadors van investigar les corbes LI del làser incrustat a diferents temperatures i la potència de sortida després de l'acoblament. La temperatura d'excitació del làser en el mode de funcionament actual d'ona contínua (CW) pot ser de fins a 95 graus o més, amb un corrent de llindar de temperatura ambient d'uns 50 mA i una potència de sortida màxima de 37 mW amb un corrent d'injecció de 250 mA . A un corrent d'injecció de 210 mA, el làser incrustat emet una potència òptica de 6,8 mW acoblada a una guia d'ones de silici (Fig. 2). A més, es va trobar que els acobladors de vora amb múltiples puntes afilades tenen una eficiència d'acoblament més gran i una millor tolerància a l'alineació que els acobladors comuns cònics inversos amb una sola punta a causa de la seva mida de punt que és més semblant al perfil de mode del làser.
Els resultats de l'estudi es van publicar recentment a Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), amb els primers autors Wenqi Wei, becari postdoctoral de l'Institut de Física, CAS (ara investigador associat). al Laboratori de Materials del llac Songshan), Majestic Yang, estudiant de doctorat, Hao Zi, investigador associat, i An He, estudiant de doctorat a la Universitat Jiaotong de Xangai. Dr. Hao Wang, investigador associat, i An He, Ph. Els autors corresponents són el investigador associat Jianjun Zhang, el professor associat de recerca Ting Wang, el professor Yikai Su i el professor associat Xuhan Guo.
El treball de recerca anterior va comptar amb el suport del Programa Nacional d'Investigació i Desenvolupament Clau de la Xina, el Fons Nacional per a la Joventut Excepcional de Ciències Naturals i el Fons d'Alt Nivell, i el Comitè de Promoció Juvenil de l'Acadèmia Xinesa de Ciències.
Integració monolítica de làsers de punt quàntic basats en silici amb guies d'ones de silici
Figura 1. Dispositiu integrat monolític làser i guia d'ones
Figura 2. Característiques de funcionament dels làsers de punt quàntic III-V integrats basats en SOI
