لیزرهای نقطه کوانتومی مبتنی بر سیلیکون ادغام شده با یکپارچههای موجبر موج سیلیکونی
تراشههای اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون طیف وسیعی از کاربردها در هوش مصنوعی، مراکز داده فوقمقیاس، محاسبات با کارایی بالا، رادار ساطع نور (LIDAR) و فوتونیک مایکروویو دارند. لیزرهای مبتنی بر سیلیکون یکپارچه دارای مزایای مصرف انرژی کم و یکپارچگی بالا هستند که روند توسعه آینده اتصالات نوری و تراشه های ارتباطی نوری با سرعت بالا است. در سالهای اخیر، رشد همپایه مستقیم لیزرهای نقطه کوانتومی گروه III-V (QD) بر روی بسترهای سیلیکونی پیشرفت قابلتوجهی داشته است و پایه محکمی برای ادغام اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون ایجاد کرده است، اما ادغام یکپارچه لیزرهای مبتنی بر سیلیکون و دستگاههای اپتوالکترونیک. هنوز محقق نشده است.
جیان جون ژانگ، تینگ وانگ و زیهائو وانگ در مؤسسه فیزیک، آکادمی علوم چین (IPS)/مرکز تحقیقات ملی فیزیک ماده متراکم (NRCP) در پکن بر روی منابع نوری بر روی تراشه مبتنی بر سیلیکون برای بزرگ تمرکز کردهاند. ادغام اپتوالکترونیک مبتنی بر سیلیکون در سال های اخیر، پیشرفت قابل توجهی در جهت لیزرهای قابل ادغام مبتنی بر سیلیکون داشته است که در خط مقدم زمینه های تحقیقاتی بین المللی مربوطه قرار دارد. کارهای نماینده او در سال های اخیر شامل ساخت وسیع ترین لیزر فرکانس نقطه کوانتومی سطح تخت، با نرخ انتقال 4.8 ترابیت بر ثانیه برای آرایه چهار لیزری (Photon. Res. 2022; 10, 1308) و تحقق لیزرهای نقطه کوانتومی گروه III-V بر روی سیلیکون با عرض خط باریک توسط قفل خود تزریق مدوله شده فاز (Photon. Res. 2022; 10, 1308)، و همچنین تحقق لیزرهای نقطه کوانتومی گروه III-V همپایی بر روی سیلیکون توسط قفل خود تزریقی مدوله شده فاز (Photon. Res. 2022; 10, 1840). و در تحقق لیزرهای حالت عرضی تک نقطه کوانتومی مبتنی بر SOI مبتنی بر SOI یکپارچه شده است (ACS Photon. 2023؛ 10، 1813). این تیم اخیرا با Yikai Su و Xuhan Guo از دانشگاه شانگهای Jiaotong و Wenqi Wei از آزمایشگاه مواد دریاچه Songshan و غیره همکاری کرده اند. بر اساس مواد اولیه با کیفیت بالای سیلیکونی III-V تیم، تیم یک سیلیکون را پیشنهاد کرده است. بر اساس روش اپیتاکسی جاسازی شده برای ادغام لیزرهای نقطه کوانتومی InAs/GaAs و موجبرهای موج سیلیکونی بر روی همان بستر SOI (شکل 1)، که نور لیزرهای مبتنی بر سیلیکون را با موفقیت از بین میبرد. محققان با موفقیت نور لیزر مبتنی بر سیلیکون را جفت کردند. به یک موجبر سیلیکونی از طریق انتها، تحقق یکپارچگی یکپارچه لیزر و موجبر برای اولین بار، که توسط داور به عنوان "یک کار تحقیقاتی عالی با تاثیرات علمی و تکنولوژیکی بزرگ ارزیابی شد و این یک پیشرفت قابل توجه در زمینه فوتونیک یکپارچه».
محققان منحنی های LI لیزر تعبیه شده را در دماهای مختلف و توان خروجی پس از جفت شدن بررسی کردند. دمای تحریک لیزر در حالت عملکرد جریان موج پیوسته (CW) می تواند تا 95 درجه یا بیشتر باشد، با جریان آستانه دمای اتاق حدود 50 میلی آمپر، و حداکثر توان خروجی 37 میلی وات در جریان تزریق 250 میلی آمپر. . در جریان تزریق 210 میلی آمپر، لیزر تعبیه شده توان نوری 6.8 میلی وات را به همراه یک موجبر سیلیکونی تولید می کند (شکل 2). علاوه بر این، مشخص شد که جفتکنندههای لبهای با نوک مخروطی چندگانه، به دلیل اندازه نقطهای که بیشتر شبیه مشخصات حالت لیزر است، نسبت به جفتکنندههای مخروطی معکوس معمولی با یک نوک، راندمان کوپلینگ بالاتر و تحمل تراز بهتری دارند.
نتایج این مطالعه اخیراً در Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)) با اولین نویسندگان Wenqi Wei، یک محقق فوق دکتری در مؤسسه فیزیک، CAS (اکنون یک محقق وابسته) منتشر شده است. در آزمایشگاه مواد دریاچه سونگشان)، مجستیک یانگ، دانشجوی دکترا، هائو زی، دانشیار محقق، و آن هی، دانشجوی دکترا در دانشگاه شانگهای جیائوتنگ. دکتر هائو وانگ، دانشیار محقق، و An He، دکترا، نویسندگان مرتبط عبارتند از: جیان جون ژانگ، همکار پژوهشی، تینگ وانگ، همکار پژوهشی، پروفسور ییکای سو و استادیار خوهان گوئو.
کار تحقیقاتی فوق توسط برنامه تحقیق و توسعه کلیدی ملی چین، صندوق ملی جوانان برجسته علوم طبیعی و صندوق سطح بالا، و کمیته ارتقای جوانان آکادمی علوم چین حمایت شد.
ادغام یکپارچه لیزرهای نقطه کوانتومی مبتنی بر سیلیکون با موجبرهای سیلیکونی
شکل 1. دستگاه یکپارچه یکپارچه لیزر و موجبر
شکل 2. ویژگی های عملیاتی لیزرهای نقطه کوانتومی مجتمع III-V مبتنی بر SOI
