硅基量子点激光器与硅波导单片集成

MEMS 2023-07-24 00:01

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硅基光电芯片在人工智能、超大规模数据中心、高性能计算、激光雷达（LiDAR）和微波光子学等领域具有广泛的应用。单片集成的硅基激光器具有低功耗、集成度高等优点，是未来光互连和高速光通信芯片的发展趋势。近年来，在硅衬底上直接外延生长III-V族量子点（QD）激光器取得了显著的进展，为硅基光电集成奠定了坚实的基础，但尚未实现硅基激光器与光电子器件的单片集成。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心张建军、王霆、王子昊近年来一直聚焦于面向大规模硅基光电子集成的硅基片上光源，在硅基可集成激光器方向取得了重要进展，在国际上相关研究领域中处于前列。近年来的代表性工作包括实现了最宽的平顶量子点频梳激光器，四个激光器阵列可达到4.8 Tbit/s的传输速率（Photon. Res. 2022; 10, 1308）；通过相位调控的自注入锁定方法实现了硅基外延III-V族窄线宽量子点激光器（Photon. Res. 2022; 10, 1840）；率先实现了SOI基单片集成的InAs量子点单横模激光器（ACS Photon. 2023; 10, 1813）。团队近期与上海交通大学苏翼凯、郭旭涵及松山湖材料实验室韦文奇等人合作，在团队前期高质量硅基III-V族材料基础上，提出硅基嵌入式外延方法，将InAs/GaAs量子点激光器与硅波导集成在同一SOI衬底上（图1），成功将硅基激光器的光通过端面耦合到硅波导，首次实现了激光器与波导的单片集成，被审稿人评价为“具有巨大科学和技术影响力的出色研究工作，这是集成光子领域的重大进展”。

图1. 激光器与波导单片集成器件

研究人员研究了嵌入式激光器的不同温度L-I曲线及耦合后的输出功率。在连续波（CW）电流操作模式下激光器激射温度可至95℃以上，室温阈值电流约为50 mA。注入电流为250 mA时，最大输出功率为37 mW。在注入电流为210 mA时，嵌入式激光器通过硅波导耦合输出的光学功率达到6.8 mW（图2）。此外，研究还发现与常见的具有单个尖端的反向锥形耦合器相比，具有多个锥形尖端的边缘耦合器由于其光斑尺寸与激光器的模式轮廓更相似，因此具有更高的耦合效率和更好的对准容差。

图2. SOI基集成III-V族量子点激光器的工作特性

相关研究结果以“Monolithic integration of embedded III-V lasers on SOI”为题发表在Light: Science & Application 杂志上(Light. Sci. Appl.12, 84 (2023) )，该文章的第一作者为中科院物理所博士后韦文奇（现松山湖材料实验室副研究员），博士生杨礴，副研究员王子昊与上海交通大学博士生何安。通讯作者为张建军研究员、王霆副研究员、苏翼凯教授和郭旭涵副教授。

上述研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学杰出青年基金、面上基金，中科院青促会的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01128-z