Silicio pagrindu pagaminti kvantiniai taškiniai lazeriai, integruoti su silicio bangolaidžio monolitais
Silicio pagrindu pagamintos optoelektroninės lustos turi platų pritaikymo spektrą dirbtinio intelekto, hiperskalės duomenų centruose, didelio našumo skaičiavimuose, šviesą spinduliuojančiame radare (LIDAR) ir mikrobangų fotonikoje. Monolitiškai integruoti silicio lazeriai turi mažo energijos suvartojimo ir didelės integracijos pranašumus, o tai yra ateities optinių jungčių ir didelės spartos optinio ryšio lustų plėtros tendencija. Pastaraisiais metais tiesioginis epitaksinis III-V grupės kvantinių taškų (QD) lazerių augimas ant silicio substratų padarė didelę pažangą, padėdamas tvirtą pagrindą silicio optoelektroninei integracijai, tačiau monolitinei silicio lazerių ir optoelektroninių prietaisų integracijai. dar nebuvo realizuotas.
Jianjun Zhang, Ting Wang ir Zihao Wang iš Kinijos mokslų akademijos (IPS) Fizikos instituto / Nacionalinio kondensuotųjų medžiagų fizikos tyrimų centro (NRCP) Pekine daugiausia dėmesio skiria silicio pagrindu pagamintiems lustiniams šviesos šaltiniams, skirtiems dideliems masto silicio optoelektroninę integraciją pastaraisiais metais ir padarė didelę pažangą silicio pagrindu pagamintų integruojamųjų lazerių, kurie yra atitinkamų tarptautinių tyrimų sričių priešakyje, kryptimi. Jo reprezentatyvūs pastarųjų metų darbai apima plačiausio plokščio viršaus kvantinio taško dažnio šukų lazerio, kurio perdavimo sparta yra 4,8 Tbit/s keturių lazerių matricai (Photon. Res. 2022; 10, 1308), realizavimas ir epitaksinių III-V grupės kvantinių taškų lazerių ant silicio realizavimas siauro linijos pločio faziniu moduliuotu savaiminio įpurškimo fiksavimu (Photon. Res. 2022; 10, 1308), taip pat epitaksinių III-V grupės kvantinių taškų lazerių realizavimas ant silicis su fazės moduliuotu savaiminio įpurškimo fiksavimu (Photon. Res. 2022; 10, 1840); ir buvo pradininkas SOI pagrindu monolitiškai integruotų InAs kvantinių taškų vieno skersinio režimo lazeriams (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Komanda neseniai bendradarbiavo su Yikai Su ir Xuhan Guo iš Šanchajaus Jiaotong universiteto ir Wenqi Wei iš Songshan ežero medžiagų laboratorijos ir kt. Remdamasi ankstesnėmis aukštos kokybės silicio III-V medžiagomis, komanda siūlo silicio pagrįstas įterptosios epitaksijos metodas, skirtas integruoti InAs/GaAs kvantinius taškinius lazerius ir silicio bangolaidžius tame pačiame SOI substrate (1 pav.), kuris sėkmingai perduoda silicio pagrindu veikiančių lazerių šviesą. į silicio bangolaidį per galą, pirmą kartą įgyvendinant monolitinę lazerio ir bangolaidžio integraciją, kurią recenzentas įvertino kaip „puikų mokslinį ir technologinį poveikį turintį mokslinį darbą, ir tai yra didelė pažanga integruota fotonika“.
Tyrėjai ištyrė įterpto lazerio LI kreives esant skirtingoms temperatūroms ir išėjimo galią po sujungimo. Lazerio sužadinimo temperatūra nuolatinės bangos (CW) srovės veikimo režimu gali būti iki 95 laipsnių ar daugiau, kai kambario temperatūros slenkstinė srovė yra apie 50 mA, o maksimali išėjimo galia – 37 mW, kai įpurškimo srovė yra 250 mA. . Esant 210 mA įpurškimo srovei, įdėtasis lazeris išveda 6,8 mW optinę galią, sujungtą su silicio bangolaidžiu (2 pav.). Be to, buvo nustatyta, kad kraštinės jungtys su keliais kūginiais antgaliais turi didesnį sujungimo efektyvumą ir geresnę išlygiavimo toleranciją nei įprastos atvirkštinės kūginės jungtys su vienu antgaliu dėl jų taško dydžio, kuris yra panašesnis į lazerio režimo profilį.
Tyrimo rezultatai neseniai buvo paskelbti leidinyje Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), o pirmieji autoriai Wenqi Wei, CAS Fizikos instituto doktorantas (dabar asocijuotas tyrėjas). Songshan ežero medžiagų laboratorijoje), Majestic Yang, doktorantas, Hao Zi, asocijuotas mokslininkas ir An He, doktorantas iš Šanchajaus Jiaotong universiteto. Dr. Hao Wang, asocijuotasis tyrėjas ir An He, daktaras. Atitinkami autoriai yra mokslinis bendradarbis Jianjun Zhang, asocijuotas mokslinis bendradarbis Ting Wang, prof. Yikai Su ir docentas Xuhan Guo.
Minėtą mokslinį darbą rėmė Kinijos nacionalinė pagrindinių tyrimų ir plėtros programa, Nacionalinis gamtos mokslų išskirtinio jaunimo fondas ir Aukščiausio lygio fondas bei Kinijos mokslų akademijos jaunimo skatinimo komitetas.
Monolitinis silicio pagrindu pagamintų kvantinių taškų lazerių integravimas su silicio bangolaidžiais
1 pav. Lazerinis ir bangolaidis monolitinis integruotas įrenginys
2 pav. SOI pagrįstų integruotų III-V kvantinių taškų lazerių veikimo charakteristikos
