Λέιζερ κβαντικής κουκκίδας με βάση πυρίτιο ενσωματωμένα με μονόλιθους κυματοδηγών πυριτίου
Τα οπτοηλεκτρονικά τσιπ με βάση το πυρίτιο έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην τεχνητή νοημοσύνη, στα κέντρα δεδομένων υπερκλίμακας, στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης, στο ραντάρ εκπομπής φωτός (LIDAR) και στη φωτονική μικροκυμάτων. Τα μονολιθικά ενσωματωμένα λέιζερ με βάση το πυρίτιο έχουν τα πλεονεκτήματα της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και της υψηλής ενσωμάτωσης, που αποτελούν τη μελλοντική τάση ανάπτυξης των οπτικών διασυνδέσεων και των τσιπ οπτικής επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας. Τα τελευταία χρόνια, η άμεση επιταξιακή ανάπτυξη των λέιζερ της ομάδας III-V κβαντικής κουκκίδας (QD) σε υποστρώματα πυριτίου έχει σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο, θέτοντας στέρεες βάσεις για οπτοηλεκτρονική ολοκλήρωση με βάση το πυρίτιο, αλλά η μονολιθική ενσωμάτωση λέιζερ και οπτοηλεκτρονικών συσκευών με βάση το πυρίτιο δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί.
Οι Jianjun Zhang, Ting Wang και Zihao Wang στο Ινστιτούτο Φυσικής, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών (IPS)/Εθνικό Ερευνητικό Κέντρο για τη Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης (NRCP) στο Πεκίνο έχουν επικεντρωθεί σε πηγές φωτός σε τσιπ με βάση το πυρίτιο για μεγάλες κλίμακα οπτοηλεκτρονικής ολοκλήρωσης με βάση το πυρίτιο τα τελευταία χρόνια και έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κατεύθυνση των ενσωματώσιμων λέιζερ με βάση το πυρίτιο, που βρίσκεται στην πρώτη γραμμή των σχετικών διεθνών ερευνητικών πεδίων. Τα αντιπροσωπευτικά του έργα τα τελευταία χρόνια περιλαμβάνουν την υλοποίηση του ευρύτερου κβαντικού λέιζερ συχνότητας με επίπεδη κορυφή, με ρυθμό μετάδοσης 4,8 Tbit/s για συστοιχία τεσσάρων λέιζερ (Photon. Res. 2022; 10, 1308) και το πραγματοποίηση επιταξιακών λέιζερ κβαντικής κουκκίδας ομάδας III-V σε πυρίτιο με στενό πλάτος γραμμής με κλείδωμα αυτόματης έγχυσης διαμορφωμένης φάσης (Photon. Res. 2022; 10, 1308), καθώς και η υλοποίηση επιταξιακών λέιζερ κβαντικής κουκκίδας της ομάδας III-V σε πυρίτιο με ασφάλιση αυτο-έγχυσης διαμορφωμένης φάσης (Photon. Res. 2022; 10, 1840); και πρωτοστάτησε στην υλοποίηση μονολιθικά ενσωματωμένων λέιζερ κβαντικής κουκκίδας InAs με βάση το SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Η ομάδα συνεργάστηκε πρόσφατα με τους Yikai Su και Xuhan Guo του Πανεπιστημίου Shanghai Jiaotong και Wenqi Wei του Songshan Lake Materials Laboratory, κ.λπ. Με βάση τα προηγούμενα υψηλής ποιότητας υλικά III-V της ομάδας με βάση το πυρίτιο, η ομάδα προτείνει ένα πυρίτιο- βασισμένη ενσωματωμένη μέθοδος επιταξίας για την ενσωμάτωση λέιζερ κβαντικής κουκκίδας InAs/GaAs και κυματοδηγών πυριτίου στο ίδιο υπόστρωμα SOI (Εικ. 1), το οποίο περνά με επιτυχία το φως από λέιζερ με βάση το πυρίτιο μέσω του Οι ερευνητές συνέδεσαν με επιτυχία το φως από ένα λέιζερ με βάση το πυρίτιο σε έναν κυματοδηγό πυριτίου μέσω της τελικής επιφάνειας, πραγματοποιώντας για πρώτη φορά τη μονολιθική ενσωμάτωση λέιζερ και κυματοδηγού, η οποία αξιολογήθηκε από τον κριτή ως «μια εξαιρετική ερευνητική εργασία με μεγάλες επιστημονικές και τεχνολογικές επιπτώσεις, και αυτή είναι μια σημαντική πρόοδος στον τομέα της ολοκληρωμένη φωτονική».
Οι ερευνητές ερεύνησαν τις καμπύλες LI του ενσωματωμένου λέιζερ σε διαφορετικές θερμοκρασίες και την ισχύ εξόδου μετά τη σύζευξη. Η θερμοκρασία διέγερσης λέιζερ σε λειτουργία ρεύματος συνεχούς κύματος (CW) μπορεί να είναι έως και 95 μοίρες ή περισσότερο, με ρεύμα κατωφλίου θερμοκρασίας δωματίου περίπου 50 mA και μέγιστη ισχύ εξόδου 37 mW σε ρεύμα έγχυσης 250 mA . Σε ρεύμα έγχυσης 210 mA, το ενσωματωμένο λέιζερ εξάγει μια οπτική ισχύ 6,8 mW συνδεδεμένη με έναν κυματοδηγό πυριτίου (Εικ. 2). Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι οι ζεύκτες άκρων με πολλαπλές κωνικές άκρες έχουν υψηλότερη απόδοση σύζευξης και καλύτερη ανοχή ευθυγράμμισης από τους κοινούς συζευκτήρες ανάστροφης κωνικότητας με ένα μόνο άκρο λόγω του μεγέθους τους που μοιάζει περισσότερο με το προφίλ λειτουργίας του λέιζερ.
Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), με πρώτους συγγραφείς τον Wenqi Wei, μεταδιδακτορικό συνεργάτη στο Institute of Physics, CAS (τώρα συνεργάτης ερευνητής στο εργαστήριο Songshan Lake Materials Laboratory), Majestic Yang, διδακτορικός φοιτητής, Hao Zi, συνεργάτης ερευνητής, και An He, διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο της Σαγκάης Jiaotong. Ο Δρ. Hao Wang, Αναπληρωτής Ερευνητής και ο An He, Ph. Αντίστοιχοι συγγραφείς είναι ο ερευνητής Jianjun Zhang, ο αναπληρωτής ερευνητής Ting Wang, ο καθηγητής Yikai Su και ο αναπληρωτής καθηγητής Xuhan Guo.
Η παραπάνω ερευνητική εργασία υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Κίνας, το Εθνικό Ταμείο Νεολαίας για τις Εξέχουσες Φυσικές Επιστήμες και το Ταμείο Ανώτατου Επιπέδου και την Επιτροπή Προώθησης Νέων της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.
Μονολιθική ενσωμάτωση λέιζερ Quantum Dot με βάση πυρίτιο με κυματοδηγούς πυριτίου
Εικόνα 1. Μονολιθική ενσωματωμένη συσκευή λέιζερ και κυματοδηγού
Σχήμα 2. Λειτουργικά χαρακτηριστικά των ενσωματωμένων λέιζερ κβαντικής κουκκίδας III-V που βασίζονται σε SOI
