실리콘 도파관 모노리스와 통합된 실리콘 기반 양자점 레이저
실리콘 기반 광전자 칩은 인공 지능, 하이퍼스케일 데이터 센터, 고성능 컴퓨팅, LIDAR(발광 레이더) 및 마이크로파 포토닉스 분야에서 광범위한 응용 분야를 갖추고 있습니다. 모놀리식으로 통합된 실리콘 기반 레이저는 광 인터커넥트 및 고속 광통신 칩의 미래 개발 추세인 저전력 소비 및 고집적이라는 장점을 가지고 있습니다. 최근 몇 년 동안 실리콘 기판에 III-V족 양자점(QD) 레이저를 직접 에피택셜 성장시키는 것이 눈부신 발전을 이루며 실리콘 기반 광전자 통합을 위한 탄탄한 기반을 마련했지만, 실리콘 기반 레이저와 광전자 장치의 모놀리식 통합은 점점 더 어려워지고 있습니다. 아직 실현되지 않았습니다.
베이징 소재 중국과학원(IPS)/국립응집물질물리연구센터(NRCP) 물리학 연구소의 Jianjun Zhang, Ting Wang, Zihao Wang은 대형 반도체용 실리콘 기반 온칩 광원에 주력해 왔습니다. 최근 몇 년 동안 실리콘 기반 광전자 통합을 확장하고 관련 국제 연구 분야의 최전선에 있는 실리콘 기반 통합 레이저 방향에서 상당한 진전을 이루었습니다. 최근 몇 년간 그의 대표적인 연구로는 4개의 레이저 어레이에 대해 전송 속도가 4.8 Tbit/s인 가장 넓은 평면형 양자점 주파수 빗 레이저의 실현(Photon. Res. 2022; 10, 1308)이 있습니다. 위상 변조된 자가 주입 잠금(Photon. Res. 2022; 10, 1308)을 통해 좁은 선폭을 갖는 실리콘에 에피택셜 그룹 III-V 양자점 레이저를 구현하고(Photon. Res. 2022; 10, 1308) 위상 변조된 자체 주입 잠금에 의한 실리콘(Photon. Res. 2022; 10, 1840); SOI 기반의 모놀리식 통합 InAs 양자점 단일 가로 모드 레이저의 실현을 개척했습니다(ACS Photon. 2023; 10, 1813). 이 팀은 최근 Shanghai Jiaotong University의 Yikai Su 및 Xuhan Guo, Songshan Lake Materials Laboratory의 Wenqi Wei 등과 협력했습니다. 팀의 이전 고품질 실리콘 기반 III-V 재료를 기반으로 팀은 실리콘 기반의 III-V 재료를 제안합니다. InAs/GaAs 양자점 레이저와 실리콘 도파관을 동일한 SOI 기판에 통합하는 기반 임베디드 에피택시 방법(그림 1). 이는 실리콘 기반 레이저의 빛을 성공적으로 통과시킵니다. 연구원들은 실리콘 기반 레이저의 빛을 성공적으로 결합했습니다. 종단면을 통과하는 실리콘 도파관에 레이저와 도파관의 모놀리식 통합을 최초로 실현한 것은 심사위원으로부터 “과학적, 기술적 파급력이 큰 우수한 연구 성과이며, 이는 과학 분야에서 중요한 진전이다”라고 평가했습니다. 통합 포토닉스".
연구진은 서로 다른 온도에서 내장된 레이저의 LI 곡선과 결합 후 출력을 조사했습니다. CW(연속파) 전류 작동 모드의 레이저 여기 온도는 최대 95도 이상일 수 있으며 실온 임계 전류는 약 50mA, 주입 전류 250mA에서 최대 출력 전력은 37mW입니다. . 210mA의 주입 전류에서 내장된 레이저는 실리콘 도파관에 결합되어 6.8mW의 광 출력을 출력합니다(그림 2). 또한 다중 테이퍼 팁이 있는 에지 커플러는 레이저의 모드 프로파일과 더 유사한 스폿 크기로 인해 단일 팁이 있는 일반적인 역 테이퍼 커플러보다 더 높은 결합 효율과 더 나은 정렬 허용 오차를 갖는 것으로 나타났습니다.
이번 연구 결과는 최근 Light: Science & Application(Light. Sci. Appl. 12, 84(2023))에 게재되었으며, 첫 번째 저자는 CAS 물리학 연구소의 박사후 연구원인 Wenqi Wei(현 부연구원)입니다. Songshan Lake Materials Laboratory), 박사 과정 학생 Majestic Yang, 부연구원 Hao Zi, Shanghai Jiaotong University 박사 과정 학생 An He. Hao Wang 부연구원, An He 박사. 교신저자는 연구원 Jianjun Zhang, 부연구원 Ting Wang, Yikai Su 교수, Xuhan Guo 부교수입니다.
위 연구 작업은 중국 국가 핵심 연구 개발 프로그램, 국가 자연과학 우수 청소년 기금 및 최고 수준 기금, 중국과학원 청소년 촉진 위원회의 지원을 받았습니다.
실리콘 기반 양자점 레이저와 실리콘 도파관의 모놀리식 통합
그림 1. 레이저 및 도파관 모놀리식 통합 장치
그림 2. SOI 기반 집적 III-V 양자점 레이저의 동작 특성
