Laserji s kvantnimi pikami na osnovi silicija, integrirani s silicijevimi valovodnimi monoliti
Optoelektronski čipi na osnovi silicija imajo široko paleto aplikacij v umetni inteligenci, podatkovnih centrih v hiperrazsežnosti, visoko zmogljivem računalništvu, radarju, ki oddaja svetlobo (LIDAR) in mikrovalovni fotoniki. Monolitno integrirani laserji na osnovi silicija imajo prednosti nizke porabe energije in visoke integracije, ki sta prihodnji razvojni trend optičnih povezav in hitrih optičnih komunikacijskih čipov. V zadnjih letih je neposredna epitaksialna rast laserjev s kvantnimi pikami (QD) skupine III-V na silicijevih substratih dosegla izjemen napredek in postavila trdne temelje za optoelektronsko integracijo na osnovi silicija, a monolitna integracija laserjev na osnovi silicija in optoelektronskih naprav še ni realiziran.
Jianjun Zhang, Ting Wang in Zihao Wang z Inštituta za fiziko Kitajske akademije znanosti (IPS)/Nacionalnega raziskovalnega centra za fiziko kondenziranih snovi (NRCP) v Pekingu so se osredotočali na vire svetlobe na čipu na osnovi silicija za velike obseg optoelektronske integracije na osnovi silicija v zadnjih letih in dosegli pomemben napredek v smeri integrabilnih laserjev na osnovi silicija, ki je v ospredju ustreznih mednarodnih raziskovalnih področij. Njegova reprezentativna dela v zadnjih letih vključujejo realizacijo najširšega grebenastega laserja s kvantnimi pikami z ravnim vrhom s hitrostjo prenosa 4,8 Tbit/s za niz štirih laserjev (Photon. Res. 2022; 10, 1308) in izvedba laserjev s kvantnimi pikami epitaksialne skupine III-V na siliciju z ozko širino črte s fazno moduliranim zaklepanjem samoinjekcije (Photon. Res. 2022; 10, 1308), kot tudi izvedba laserjev s kvantnimi pikami epitaksialne skupine III-V na silicij s fazno moduliranim zaklepanjem samoinjiciranja (Photon. Res. 2022; 10, 1840); in pionir pri realizaciji monolitno integriranih laserjev s kvantnimi pikami InAs na osnovi SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Ekipa je pred kratkim sodelovala z Yikai Sujem in Xuhanom Guom s šanghajske univerze Jiaotong ter Wenqijem Weijem iz laboratorija za materiale Songshan Lake itd. Na podlagi prejšnjih visokokakovostnih materialov III-V na osnovi silicija ekipa predlaga silicijev temelji na vgrajeni metodi epitaksije za integracijo laserjev s kvantnimi pikami InAs/GaAs in silicijevih valovodov na istem substratu SOI (slika 1), ki uspešno prepušča svetlobo laserjev na osnovi silicija skozi. Raziskovalci so uspešno združili svetlobo laserja na osnovi silicija. do silicijevega valovoda skozi čelno ploskev, pri čemer je bila prvič uresničena monolitna integracija laserja in valovoda, kar je recenzent ocenil kot "odlično raziskovalno delo z velikimi znanstvenimi in tehnološkimi učinki, kar je pomemben napredek na področju integrirana fotonika".
Raziskovalci so raziskovali krivulje LI vgrajenega laserja pri različnih temperaturah in izhodno moč po sklopitvi. Temperatura laserskega vzbujanja v načinu delovanja z neprekinjenim valovanjem (CW) je lahko do 95 stopinj ali več, s pragom toka sobne temperature približno 50 mA in največjo izhodno močjo 37 mW pri vbrizgalnem toku 250 mA . Pri vbrizgalnem toku 210 mA oddaja vgrajeni laser optično moč 6,8 mW, ki je povezan s silicijevim valovodom (slika 2). Poleg tega je bilo ugotovljeno, da imajo robne spojke z več stožčastimi konicami večjo učinkovitost spajanja in boljšo toleranco poravnave kot običajne vzvratno stožčaste spojke z eno konico zaradi njihove velikosti točke, ki je bolj podobna profilu načina laserja.
Rezultati študije so bili nedavno objavljeni v Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), s prvim avtorjem Wenqi Wei, podoktorskim sodelavcem na Inštitutu za fiziko, CAS (zdaj pridruženi raziskovalec v Laboratoriju za materiale jezera Songshan), Majestic Yang, doktorski študent, Hao Zi, pridruženi raziskovalec, in An He, doktorski študent na univerzi Jiaotong v Šanghaju. Dr. Hao Wang, pridruženi raziskovalec, in An He, doktorat. Dopisni avtorji so znanstveni sodelavec Jianjun Zhang, pridruženi znanstveni sodelavec Ting Wang, prof. Yikai Su in izredni prof. Xuhan Guo.
Zgornje raziskovalno delo so podprli Kitajski nacionalni ključni raziskovalni in razvojni program, Nacionalni naravoslovni sklad za izjemne mlade in Sklad najvišje ravni ter Odbor za promocijo mladih Kitajske akademije znanosti.
Monolitna integracija laserjev s kvantnimi pikami na osnovi silicija in silicijevih valovodov
Slika 1. Laser in valovod monolitna integrirana naprava
Slika 2. Značilnosti delovanja integriranih laserjev s kvantnimi pikami III-V na osnovi SOI
