Ласери квантних тачака на бази силицијума интегрисани са монолитима силицијумских таласовода
Оптоелектронски чипови засновани на силикону имају широк спектар примена у вештачкој интелигенцији, хиперскаларним центрима података, рачунарству високих перформанси, радару који емитује светлост (ЛИДАР) и микроталасној фотоници. Монолитно интегрисани ласери на бази силицијума имају предности ниске потрошње енергије и високе интеграције, што је будући тренд развоја оптичких интерконекција и брзих оптичких комуникационих чипова. Последњих година, директни епитаксијални раст ласера са квантним тачкама (КД) групе ИИИ-В на силицијумским супстратима је направио изузетан напредак, постављајући чврсту основу за оптоелектронску интеграцију засновану на силицијуму, али монолитна интеграција ласера на бази силицијума и оптоелектронских уређаја још није реализовано.
Јиањун Зханг, Тинг Ванг и Зихао Ванг са Института за физику Кинеске академије наука (ИПС)/Националног истраживачког центра за физику кондензованих материја (НРЦП) у Пекингу фокусирали су се на изворе светлости на чипу засноване на силикону за велике- оптоелектронску интеграцију засновану на силицијуму последњих година, и остварили су значајан напредак у правцу интеграбилних ласера на бази силицијума, који је на челу релевантних међународних истраживачких области. Његови репрезентативни радови последњих година укључују реализацију најширег квантног ласера са фреквенцијом квантних тачака, са брзином преноса од 4,8 Тбит/с за низ од четири ласера (Пхотон. Рес. 2022; 10, 1308), и реализација епитаксијалних ласера квантних тачака ИИИ-В групе на силицијуму са уском ширином линије фазно модулисаним самоињекционим закључавањем (Пхотон. Рес. 2022; 10, 1308), као и реализација епитаксијалних ласера са квантним тачкама ИИИ-В групе на силицијум фазно модулисаним закључавањем самоубризгавања (Пхотон. Рес. 2022; 10, 1840); и био пионир у реализацији монолитно интегрисаних ИнАс квантних тачака са једним трансверзалним модом ласера на бази СОИ (АЦС Пхотон. 2023; 10, 1813). Тим је недавно сарађивао са Јикаи Су и Ксухан Гуо са Шангајског универзитета Јиаотонг и Венки Веи из Лабораторије за материјале језера Сонгсхан, итд. На основу претходних висококвалитетних материјала ИИИ-В тима на бази силицијума, тим предлаже силицијум- заснована на уграђеној методи епитаксије за интеграцију ИнАс/ГаАс ласера квантних тачака и силицијумских таласовода на истом СОИ супстрату (слика 1), који успешно пропушта светлост ласера на бази силицијума кроз до силицијумског таласовода кроз чеону површину, реализујући по први пут монолитну интеграцију ласера и таласовода, што је рецензент оценио као „одличан истраживачки рад са великим научним и технолошким утицајима, а ово је значајан напредак у области интегрисана фотоника“.
Истраживачи су истраживали ЛИ криве уграђеног ласера на различитим температурама и излазној снази након спајања. Температура побуђивања ласера у режиму непрекидног таласа (ЦВ) струја може бити до 95 степени или више, са струјом прага собне температуре од око 50 мА и максималном излазном снагом од 37 мВ при струји убризгавања од 250 мА . При струји убризгавања од 210 мА, уграђени ласер даје оптичку снагу од 6,8 мВ спојену на силицијумски таласовод (слика 2). Поред тога, откривено је да ивичне спојнице са више конусних врхова имају већу ефикасност спајања и бољу толеранцију поравнања од уобичајених спојница са обрнутим сужењем са једним врхом због њихове величине тачке која је сличнија профилу мода ласера.
Резултати студије су недавно објављени у Лигхт: Сциенце & Апплицатион (Лигхт. Сци. Аппл. 12, 84 (2023)), са првим ауторима Венки Веи, постдокторским сарадником на Институту за физику, ЦАС (сада истраживач сарадник у Лабораторији за материјале на језеру Сонгсхан), Мајестиц Ианг, студент докторских студија, Хао Зи, истраживач сарадник, и Ан Хе, студент докторских студија на Шангајском универзитету Јиаотонг. др Хао Ванг, сарадник истраживач, и Ан Хе, др. Аутори за дописивање су научни сарадник Јиањун Зханг, ванредни научни сарадник Тинг Ванг, проф. Иикаи Су и ванредни проф. Ксухан Гуо.
Горе наведени истраживачки рад подржан је од стране Националног кључног истраживачког и развојног програма Кине, Националног фонда за изузетне природне науке и Фонда највишег нивоа, и Комитета за промоцију младих Кинеске академије наука.
Монолитна интеграција ласера на квантним тачкама на бази силицијума са силицијумским таласоводима
Слика 1. Ласерски и таласоводни монолитни интегрисани уређај
Слика 2. Радне карактеристике интегрисаних ИИИ-В ласера са квантним тачкама на бази СОИ
