Laser a punti quantici basati su silicio integrati con monoliti di guida d'onda in silicio
I chip optoelettronici a base di silicio hanno un'ampia gamma di applicazioni nell'intelligenza artificiale, nei data center su vasta scala, nell'elaborazione ad alte prestazioni, nei radar a emissione di luce (LIDAR) e nella fotonica a microonde. I laser a base di silicio integrati monoliticamente presentano i vantaggi di un basso consumo energetico e di un'elevata integrazione, che rappresentano la futura tendenza di sviluppo delle interconnessioni ottiche e dei chip di comunicazione ottica ad alta velocità. Negli ultimi anni, la crescita epitassiale diretta dei laser a punti quantici (QD) del gruppo III-V su substrati di silicio ha fatto notevoli progressi, ponendo solide basi per l'integrazione optoelettronica basata sul silicio, ma l'integrazione monolitica di laser e dispositivi optoelettronici basati su silicio non è stato ancora realizzato.
Jianjun Zhang, Ting Wang e Zihao Wang dell'Istituto di fisica dell'Accademia cinese delle scienze (IPS)/Centro nazionale di ricerca per la fisica della materia condensata (NRCP) di Pechino si sono concentrati su sorgenti luminose su chip a base di silicio per grandi... integrazione optoelettronica su larga scala basata sul silicio negli ultimi anni e hanno compiuto progressi significativi nella direzione dei laser integrabili basati sul silicio, che è in prima linea nei pertinenti campi di ricerca internazionali. I suoi lavori rappresentativi degli ultimi anni includono la realizzazione del più ampio laser a pettine di frequenza a punto quantico con sommità piatta, con una velocità di trasmissione di 4,8 Tbit/s per un array di quattro laser (Photon. Res. 2022; 10, 1308), e il realizzazione di laser a punti quantici epitassiali del gruppo III-V su silicio con larghezza di linea stretta mediante bloccaggio ad autoiniezione modulata in fase (Photon. Res. 2022; 10, 1308), nonché realizzazione di laser a punti quantici epitassiali del gruppo III-V su silicio mediante bloccaggio ad autoiniezione modulata in fase (Photon. Res. 2022; 10, 1840); e ha aperto la strada alla realizzazione di laser a modalità trasversale singola a punto quantico InAs basati su SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Il team ha recentemente collaborato con Yikai Su e Xuhan Guo dell'Università Jiaotong di Shanghai e Wenqi Wei del Songshan Lake Materials Laboratory, ecc. Sulla base dei precedenti materiali III-V a base di silicio di alta qualità del team, il team propone un silicio- metodo di epitassia incorporato basato per integrare laser a punti quantici InAs/GaAs e guide d'onda in silicio sullo stesso substrato SOI (Fig. 1), che trasmette con successo la luce dei laser a base di silicio attraverso i I ricercatori hanno accoppiato con successo la luce di un laser a base di silicio a una guida d'onda in silicio attraverso l'estremità, realizzando per la prima volta l'integrazione monolitica di laser e guida d'onda, che è stata valutata dal revisore come "un eccellente lavoro di ricerca con grandi impatti scientifici e tecnologici, e questo rappresenta un progresso significativo nel campo della fotonica integrata".
I ricercatori hanno studiato le curve LI del laser incorporato a diverse temperature e la potenza di uscita dopo l'accoppiamento. La temperatura di eccitazione del laser nella modalità operativa di corrente a onda continua (CW) può arrivare fino a 95 gradi o più, con una corrente di soglia della temperatura ambiente di circa 50 mA e una potenza di uscita massima di 37 mW con una corrente di iniezione di 250 mA . Con una corrente di iniezione di 210 mA, il laser incorporato emette una potenza ottica di 6,8 mW accoppiato a una guida d'onda in silicio (Fig. 2). Inoltre, si è scoperto che gli accoppiatori laterali con punte coniche multiple hanno un'efficienza di accoppiamento più elevata e una migliore tolleranza di allineamento rispetto ai comuni accoppiatori conici invertiti con una punta singola grazie alla dimensione del loro spot che è più simile al profilo della modalità del laser.
I risultati dello studio sono stati recentemente pubblicati su Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), con i primi autori Wenqi Wei, un ricercatore post-dottorato presso l'Institute of Physics, CAS (ora ricercatore associato presso il Laboratorio dei materiali del lago Songshan), Majestic Yang, uno studente di dottorato, Hao Zi, un ricercatore associato, e An He, uno studente di dottorato presso l'Università Jiaotong di Shanghai. Dr. Hao Wang, ricercatore associato, e An He, Ph. Gli autori corrispondenti sono il ricercatore Jianjun Zhang, il ricercatore associato Ting Wang, il prof. Yikai Su e il prof. associato Xuhan Guo.
Il lavoro di ricerca di cui sopra è stato sostenuto dal Programma nazionale di ricerca e sviluppo chiave della Cina, dal Fondo nazionale per la gioventù eccezionale per le scienze naturali, dal Fondo di primo livello e dal Comitato per la promozione dei giovani dell'Accademia cinese delle scienze.
Integrazione monolitica di laser a punti quantici basati sul silicio con guide d'onda al silicio
Figura 1. Dispositivo integrato monolitico laser e guida d'onda
Figura 2. Caratteristiche operative dei laser a punti quantici III-V integrati basati su SOI
