Ränil põhinevad kvantpunktlaserid, mis on integreeritud ränilainejuhi monoliitidega
Ränipõhistel optoelektroonilistel kiipidel on lai valik rakendusi tehisintellektis, hüperskaala andmekeskustes, suure jõudlusega andmetöötluses, valgust kiirgavas radaris (LIDAR) ja mikrolainefotoonikas. Monoliitselt integreeritud ränipõhiste laserite eelisteks on madal energiatarve ja kõrge integreeritus, mis on optiliste ühenduste ja kiirete optiliste sidekiipide tulevane arengusuund. Viimastel aastatel on III-V rühma kvantpunktlaserite (QD) otsene epitaksiaalne kasv ränisubstraatidel teinud märkimisväärseid edusamme, pannes tugeva aluse ränipõhisele optoelektroonilisele integratsioonile, kuid ränipõhiste laserite ja optoelektrooniliste seadmete monoliitsele integreerimisele. pole veel realiseerunud.
Jianjun Zhang, Ting Wang ja Zihao Wang Hiina Teaduste Akadeemia (IPS) / Riikliku Kondenseeritud aine füüsika uurimiskeskuse (NRCP) füüsikainstituudis Pekingis on keskendunud ränipõhistele kiibile valgusallikatele suurte mastaabis ränipõhine optoelektrooniline integratsioon viimastel aastatel ja on teinud olulisi edusamme ränipõhiste integreeritavate laserite suunas, mis on asjaomaste rahvusvaheliste uurimisvaldkondade esirinnas. Tema viimaste aastate esindustööde hulka kuulub kõige laiema lameda tipuga kvantpunktsagedusega kammlaseri realiseerimine, mille edastuskiirus on 4,8 Tbit/s nelja laseri massiivi jaoks (Photon. Res. 2022; 10, 1308) ja epitaksiaalrühma III-V kvantpunktlaserite realiseerimine ränil kitsa joonelaiusega faasimoduleeritud isesissepritselukustuse abil (Photon. Res. 2022; 10, 1308), samuti epitaksiaalrühma III-V kvantpunktlaserite realiseerimine räni faasimoduleeritud isesissepritselukuga (Photon. Res. 2022; 10, 1840); ja oli teerajaja SOI-põhiste monoliitselt integreeritud InAs kvantpunktide ühe ristmoodiga laserite loomisel (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Meeskond on hiljuti teinud koostööd Yikai Su ja Xuhan Guoga Shanghai Jiaotongi ülikoolist ning Wenqi Weiga Songshan Lake Materials Laboratoryst jne. Meeskonna varasemate kvaliteetsete ränipõhiste III-V materjalide põhjal pakub meeskond välja räni- põhinev manustatud epitaksia meetod InAs/GaAs kvantpunktlaserite ja ränilainejuhtide integreerimiseks samale SOI substraadile (joonis 1), mis juhib edukalt ränipõhistest laseritest pärinevat valgust läbi. silikoonlainejuhile läbi otsapinna, realiseerides esmakordselt laseri ja lainejuhi monoliitset integreerimist, mida retsensent hindas kui "suurepärase teadusliku ja tehnoloogilise mõjuga uurimistööd ning see on märkimisväärne edasiminek integreeritud fotoonika".
Teadlased uurisid sisseehitatud laseri LI kõveraid erinevatel temperatuuridel ja väljundvõimsust pärast ühendamist. Laseri ergastustemperatuur pidevlaine (CW) voolu töörežiimis võib olla kuni 95 kraadi või rohkem, toatemperatuuri lävivooluga umbes 50 mA ja maksimaalse väljundvõimsusega 37 mW sissepritsevooluga 250 mA . Sissepritsevoolul 210 mA annab sisseehitatud laser 6,8 mW optilise võimsuse, mis on ühendatud ränilainejuhiga (joonis 2). Lisaks leiti, et mitme koonilise otsaga servasidukitel on suurem sidumise tõhusus ja parem joondustolerants kui tavalistel ühe otsaga tagurpidi kitsenevatel siduritel, kuna need on laseri režiimiprofiiliga sarnasemad.
Uuringu tulemused avaldati hiljuti väljaandes Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), mille esimesteks autoriteks on Wenqi Wei, kes on CAS-i füüsikainstituudi järeldoktor (nüüd kaasuurija). Songshan Lake Materials Laboratory), doktorant Majestic Yang, kaasuurija Hao Zi ja Shanghai Jiaotongi ülikooli doktorant An He. Doktor Hao Wang ja Ph. An He. Vastavad autorid on teadur Jianjun Zhang, kaasuurija Ting Wang, prof Yikai Su ja dotsent Xuhan Guo.
Ülaltoodud uurimistööd toetasid Hiina riiklik võtmeuuringute ja arendustegevuse programm, riiklik loodusteaduste silmapaistvate noorte fond ja tipptaseme fond ning Hiina teaduste akadeemia noorte edendamise komitee.
Ränil põhinevate kvantpunktlaserite monoliitne integreerimine ränilainejuhtidega
Joonis 1. Laser- ja lainejuhi monoliitne integreeritud seade
Joonis 2. SOI-põhiste integreeritud III-V kvantpunktlaserite tööomadused
