Laserau dot cwantwm sy'n seiliedig ar silicon wedi'u hintegreiddio â monolithau tonnau silicon
Mae gan sglodion optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon ystod eang o gymwysiadau mewn deallusrwydd artiffisial, canolfannau data hyperscale, cyfrifiadura perfformiad uchel, radar allyrru golau (LIDAR) a ffotoneg microdon. Mae gan laserau silicon integredig monolithig fanteision defnydd pŵer isel ac integreiddio uchel, sef y duedd datblygu yn y dyfodol o ryng-gysylltiadau optegol a sglodion cyfathrebu optegol cyflym. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae twf epitaxial uniongyrchol laserau dot cwantwm (QD) grŵp III-V ar swbstradau silicon wedi gwneud cynnydd rhyfeddol, gan osod sylfaen gadarn ar gyfer integreiddio optoelectroneg yn seiliedig ar silicon, ond mae integreiddio monolithig laserau silicon a dyfeisiau optoelectroneg heb ei wireddu eto.
Mae Jianjun Zhang, Ting Wang, a Zihao Wang yn y Sefydliad Ffiseg, Academi Gwyddorau Tsieineaidd (IPS) / Canolfan Ymchwil Genedlaethol ar gyfer Ffiseg Mater Cyddwys (NRCP) yn Beijing wedi bod yn canolbwyntio ar ffynonellau golau ar-sglodyn sy'n seiliedig ar silicon ar gyfer mawr- integreiddio optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon ar raddfa yn y blynyddoedd diwethaf, ac wedi gwneud cynnydd sylweddol i gyfeiriad laserau integradwy sy'n seiliedig ar silicon, sydd ar flaen y gad yn y meysydd ymchwil rhyngwladol perthnasol. Mae ei weithiau cynrychioliadol yn ystod y blynyddoedd diwethaf yn cynnwys gwireddu'r laser crib amledd cwantwm cwantwm ehangaf â phen gwastad, gyda chyfradd trawsyrru o 4.8 Tbit yr eiliad ar gyfer arae pedwar laser (Photon. Res. 2022; 10, 1308), a'r gwireddu laserau dot cwantwm grŵp epitaxial III-V ar silicon gyda linewidth cul trwy gloi hunan-chwistrelliad wedi'i modiwleiddio fesul cam (Photon. Res. 2022; 10, 1308), yn ogystal â gwireddu laserau dot cwantwm grŵp epitaxial III-V ar silicon trwy gloi hunan-chwistrelliad wedi'i modiwleiddio fesul cam ( Ffoton. Res. 2022; 10, 1840); ac arloesodd y gwaith o wireddu laserau modd trawsbynciol unigol cwantwm InAs wedi'u hintegreiddio'n fonolithig (ACS Photon. 2023; 10, 1813). Yn ddiweddar, mae'r tîm wedi cydweithio â Yikai Su a Xuhan Guo o Brifysgol Shanghai Jiaotong a Wenqi Wei o Labordy Deunyddiau Songshan Lake, ac ati Ar sail deunyddiau III-V blaenorol o ansawdd uchel y tîm sy'n seiliedig ar silicon, mae'r tîm yn cynnig silicon-V. dull epitaxy wedi'i fewnosod yn seiliedig i integreiddio laserau dot cwantwm InAs/GaAs a thywysyddion tonnau silicon ar yr un swbstrad SOI (Ffig. 1), sy'n llwyddo i basio'r golau o laserau sy'n seiliedig ar silicon trwy'r ymchwilwyr yn llwyddo i gyplysu'r golau o laser sy'n seiliedig ar silicon i arweiniad tonnau silicon trwy'r wyneb diwedd, gan sylweddoli integreiddiad monolithig laser a thonfedd am y tro cyntaf, a werthuswyd gan yr adolygydd fel "gwaith ymchwil rhagorol gydag effeithiau gwyddonol a thechnolegol gwych, ac mae hwn yn gynnydd sylweddol ym maes ffotoneg integredig".
Ymchwiliodd yr ymchwilwyr i gromliniau LI y laser wedi'i fewnosod ar wahanol dymereddau a'r pŵer allbwn ar ôl cyplu. Gall y tymheredd excitation laser yn y modd gweithredu cerrynt tonnau parhaus (CW) fod hyd at 95 gradd neu fwy, gyda cherrynt trothwy tymheredd ystafell o tua 50 mA, ac uchafswm pŵer allbwn o 37 mW ar gerrynt pigiad o 250 mA . Ar gerrynt pigiad o 210 mA, mae'r laser wedi'i fewnosod yn allbynnu pŵer optegol o 6.8 mW ynghyd â thonfedd silicon (Ffig. 2). Yn ogystal, canfuwyd bod cyplyddion ymyl ag awgrymiadau taprog lluosog yn meddu ar effeithlonrwydd cyplu uwch a goddefgarwch aliniad gwell na'r cyplyddion taprog gwrthdro cyffredin ag un blaen oherwydd eu maint sbot sy'n debycach i broffil modd y laser.
Cyhoeddwyd canlyniadau'r astudiaeth yn ddiweddar yn Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), gyda'r awduron cyntaf Wenqi Wei, cymrawd ôl-ddoethurol yn y Sefydliad Ffiseg, CAS (sydd bellach yn ymchwilydd cyswllt yn Labordy Deunyddiau Llyn Songshan), Majestic Yang, myfyriwr doethuriaeth, Hao Zi, ymchwilydd cyswllt, ac An He, myfyriwr doethuriaeth ym Mhrifysgol Shanghai Jiaotong. Hao Wang, Ymchwilydd Cyswllt, ac An He, Ph. Awduron cyfatebol yw'r Cymrawd Ymchwil Jianjun Zhang, Cymrawd Ymchwil Cyswllt Ting Wang, yr Athro Yikai Su a'r Athro Cyswllt Xuhan Guo.
Cefnogwyd y gwaith ymchwil uchod gan Raglen Ymchwil a Datblygu Allweddol Genedlaethol Tsieina, y Gronfa Ieuenctid Eithriadol Gwyddoniaeth Naturiol Genedlaethol a'r Gronfa Lefel Uchaf, a Phwyllgor Hyrwyddo Ieuenctid Academi Gwyddorau Tsieineaidd.
Integreiddiad Monolithig o Laserau Dot Cwantwm Seiliedig ar Silicon gyda Chyfarwyddiadau Tonnau Silicon
Ffigur 1. Dyfais integredig monolithig laser a waveguide
Ffigur 2. Nodweddion gweithredu laserau dot cwantwm integredig III-V sy'n seiliedig ar SOI
