Lasers à points quantiques à base de silicium intégrés à des monolithes de guides d'ondes en silicium
Les puces optoélectroniques à base de silicium ont un large éventail d'applications dans les domaines de l'intelligence artificielle, des centres de données à grande échelle, du calcul haute performance, des radars électroluminescents (LIDAR) et de la photonique micro-ondes. Les lasers à base de silicium intégrés de manière monolithique présentent les avantages d'une faible consommation d'énergie et d'une intégration élevée, qui constituent la future tendance de développement des interconnexions optiques et des puces de communication optiques à grande vitesse. Ces dernières années, la croissance épitaxiale directe des lasers à points quantiques (QD) du groupe III-V sur des substrats de silicium a fait des progrès remarquables, jetant une base solide pour l'intégration optoélectronique à base de silicium, mais l'intégration monolithique de lasers et de dispositifs optoélectroniques à base de silicium n'a pas encore été réalisé.
Jianjun Zhang, Ting Wang et Zihao Wang de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences (IPS)/Centre national de recherche pour la physique de la matière condensée (NRCP) à Pékin se sont concentrés sur les sources lumineuses sur puce à base de silicium pour les grandes applications. l'intégration optoélectronique à base de silicium à grande échelle ces dernières années et ont réalisé des progrès significatifs dans la direction des lasers intégrables à base de silicium, qui sont à l'avant-garde des domaines de recherche internationaux pertinents. Ses travaux représentatifs de ces dernières années incluent la réalisation du laser peigne à fréquence de points quantiques à sommet plat le plus large, avec un taux de transmission de 4,8 Tbit/s pour un réseau de quatre lasers (Photon. Res. 2022 ; 10, 1308), et le réalisation de lasers à points quantiques épitaxiaux du groupe III-V sur silicium à largeur de raie étroite par verrouillage par auto-injection modulée en phase (Photon. Res. 2022; 10, 1308), ainsi que la réalisation de lasers à points quantiques épitaxiaux du groupe III-V sur silicium silicium par verrouillage par auto-injection modulée en phase (Photon. Res. 2022 ; 10, 1840) ; et a été le pionnier de la réalisation de lasers à mode transversal unique à points quantiques InAs monolithiques intégrés basés sur SOI (ACS Photon. 2023 ; 10, 1813). L'équipe a récemment collaboré avec Yikai Su et Xuhan Guo de l'Université Jiaotong de Shanghai et Wenqi Wei du Laboratoire des matériaux du lac Songshan, etc. Sur la base des précédents matériaux III-V à base de silicium de haute qualité de l'équipe, l'équipe propose un silicium- méthode d'épitaxie intégrée basée sur l'intégration de lasers à points quantiques InAs/GaAs et de guides d'ondes en silicium sur le même substrat SOI (Fig. 1), qui fait passer avec succès la lumière des lasers à base de silicium à travers le Les chercheurs ont réussi à coupler la lumière d'un laser à base de silicium à un guide d'onde en silicium à travers la face d'extrémité, réalisant pour la première fois l'intégration monolithique du laser et du guide d'onde, qui a été évalué par l'examinateur comme « un excellent travail de recherche avec de grands impacts scientifiques et technologiques, et il s'agit d'un progrès significatif dans le domaine de photonique intégrée".
Les chercheurs ont étudié les courbes LI du laser intégré à différentes températures et la puissance de sortie après couplage. La température d'excitation du laser en mode de fonctionnement à courant continu (CW) peut atteindre 95 degrés ou plus, avec un courant seuil à température ambiante d'environ 50 mA et une puissance de sortie maximale de 37 mW à un courant d'injection de 250 mA. . À un courant d'injection de 210 mA, le laser intégré produit une puissance optique de 6,8 mW couplée à un guide d'onde en silicium (Fig. 2). De plus, il a été constaté que les coupleurs de bord dotés de plusieurs pointes coniques ont une efficacité de couplage plus élevée et une meilleure tolérance d'alignement que les coupleurs coniques inversés courants avec une seule pointe en raison de la taille de leur spot qui est plus similaire au profil de mode du laser.
Les résultats de l'étude ont été récemment publiés dans Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)), avec les premiers auteurs Wenqi Wei, chercheur postdoctoral à l'Institut de physique, CAS (maintenant chercheur associé au Laboratoire des matériaux du lac Songshan), Majestic Yang, doctorant, Hao Zi, chercheur associé, et An He, doctorant à l'Université Jiaotong de Shanghai. Dr Hao Wang, chercheur associé, et An He, Ph. Les auteurs correspondants sont le chercheur Jianjun Zhang, le chercheur associé Ting Wang, le professeur Yikai Su et le professeur associé Xuhan Guo.
Les travaux de recherche ci-dessus ont été soutenus par le Programme national clé de recherche et de développement de Chine, le Fonds national exceptionnel pour la jeunesse en sciences naturelles et le Fonds de haut niveau, ainsi que par le Comité de promotion de la jeunesse de l'Académie chinoise des sciences.
Intégration monolithique de lasers à points quantiques à base de silicium avec des guides d'ondes en silicium
Figure 1. Dispositif intégré monolithique laser et guide d'ondes
Figure 2. Caractéristiques de fonctionnement des lasers à points quantiques III-V intégrés basés sur SOI
