Laserele cu puncte cuantice pe bază de siliciu integrate cu monoliți de ghid de undă din siliciu
Cipurile optoelectronice pe bază de siliciu au o gamă largă de aplicații în inteligența artificială, centrele de date hiperscale, calculul de înaltă performanță, radarul cu emisie de lumină (LIDAR) și fotonica cu microunde. Laserele pe bază de siliciu integrate monolit au avantajele consumului redus de energie și integrării ridicate, care reprezintă tendința de dezvoltare viitoare a interconexiunilor optice și a cipurilor de comunicare optică de mare viteză. În ultimii ani, creșterea epitaxială directă a laserelor cu puncte cuantice (QD) de grup III-V pe substraturi de siliciu a făcut progrese remarcabile, punând o bază solidă pentru integrarea optoelectronică pe bază de siliciu, dar integrarea monolitică a laserelor și dispozitivelor optoelectronice pe bază de siliciu. încă nu s-a realizat.
Jianjun Zhang, Ting Wang și Zihao Wang de la Institutul de Fizică, Academia Chineză de Științe (IPS)/Centrul Național de Cercetare pentru Fizica Materiei Condensate (NRCP) din Beijing s-au concentrat pe surse de lumină pe cip pe bază de siliciu pentru mari- integrarea optoelectronică pe bază de siliciu în ultimii ani și au făcut progrese semnificative în direcția laserelor integrabile pe bază de siliciu, care se află în fruntea domeniilor de cercetare internaționale relevante. Lucrările sale reprezentative din ultimii ani includ realizarea celui mai larg laser cu frecvență cuantică cu vârf plat, cu o rată de transmisie de 4,8 Tbit/s pentru o matrice cu patru lasere (Photon. Res. 2022; 10, 1308) și realizarea laserelor cu puncte cuantice de grupa III-V epitaxiale pe siliciu cu lățime de linie îngustă prin blocare cu auto-injecție modulată în fază (Photon. Res. 2022; 10, 1308), precum și realizarea laserelor cu puncte cuantice de grupa III-V epitaxiale pe siliciu prin auto-injectare modulată în fază (Photon. Res. 2022; 10, 1840); și a fost pionier în realizarea laserelor cu mod transversal unic cu punct cuantic InAs integrate monolitic bazate pe SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Echipa a colaborat recent cu Yikai Su și Xuhan Guo de la Universitatea Jiaotong din Shanghai și Wenqi Wei de la Laboratorul de materiale ale lacului Songshan etc. Pe baza materialelor anterioare III-V pe bază de siliciu de înaltă calitate ale echipei, echipa propune un siliciu- Metoda de epitaxie încorporată bazată pentru a integra lasere cu puncte cuantice InAs/GaAs și ghiduri de undă de siliciu pe același substrat SOI (Fig. 1), care trece cu succes lumina de la laserele pe bază de siliciu prin intermediul. Cercetătorii au cuplat cu succes lumina de la un laser pe bază de siliciu. la un ghid de undă de siliciu prin suprafața de capăt, realizând integrarea monolitică a laserului și a ghidului de undă pentru prima dată, care a fost evaluată de recenzent ca „o muncă de cercetare excelentă cu impact științific și tehnologic mare, iar acesta este un progres semnificativ în domeniul fotonica integrată”.
Cercetătorii au investigat curbele LI ale laserului încorporat la diferite temperaturi și puterea de ieșire după cuplare. Temperatura de excitare a laserului în modul de funcționare cu undă continuă (CW) poate fi de până la 95 de grade sau mai mult, cu un curent de prag la temperatura camerei de aproximativ 50 mA și o putere maximă de ieșire de 37 mW la un curent de injecție de 250 mA . La un curent de injecție de 210 mA, laserul încorporat emite o putere optică de 6,8 mW cuplată la un ghid de undă de siliciu (Fig. 2). În plus, s-a constatat că cuplele de margine cu vârfuri conice multiple au o eficiență de cuplare mai mare și o toleranță de aliniere mai bună decât cuplajele obișnuite conice inversă cu un singur vârf datorită dimensiunii lor spot care este mai asemănătoare cu profilul de mod al laserului.
Rezultatele studiului au fost publicate recent în Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), cu primii autori Wenqi Wei, un bursier postdoctoral la Institutul de Fizică, CAS (acum cercetător asociat la Laboratorul de materiale din lacul Songshan), Majestic Yang, doctorand, Hao Zi, cercetător asociat și An He, doctorand la Universitatea Jiaotong din Shanghai. Dr. Hao Wang, cercetător asociat și An He, Ph. Autorii corespondenți sunt cercetători Jianjun Zhang, cercetători asociati Ting Wang, prof. Yikai Su și prof. asociat Xuhan Guo.
Activitatea de cercetare de mai sus a fost susținută de Programul național de cercetare și dezvoltare cheie al Chinei, Fondul național pentru tineret remarcabil în științe naturale și Fondul de nivel superior și Comitetul pentru promovarea tineretului al Academiei Chineze de Științe.
Integrarea monolitică a laserelor cu puncte cuantice pe bază de siliciu cu ghidaje de undă din siliciu
Figura 1. Dispozitiv integrat monolitic cu laser și ghid de undă
Figura 2. Caracteristicile de funcționare ale laserelor cu puncte cuantice III-V integrate bazate pe SOI
