美國研制出可直接調制的硅上量子點(diǎn)微型激光器

  ICCSZ訊 近日，美國工程院院士、加州大學(xué)圣芭芭拉分校John Bowers教授帶領(lǐng)的光電研究團隊研發(fā)出可直接調制的硅上量子點(diǎn)微型激光器。該激光器通過(guò)外延生長(cháng)，集成在與CMOS工藝兼容的硅晶圓上。利用量子點(diǎn)特有的襯底缺陷影響、側壁非輻射復合影響被減小的優(yōu)異性能，并通過(guò)緩沖層的優(yōu)化以減少I(mǎi)II-V族材料與硅晶圓界面的位錯密度，該課題組在存在著(zhù)反向疇、晶格失配和熱膨脹系數不同等巨大差異的異質(zhì)生長(cháng)材料體系上實(shí)現了優(yōu)異的激光器性能：1.3 μm通訊波段的單模激射、同時(shí)兼具103 K特征溫度的高溫工作環(huán)境穩定性及3 mA的低閾值電流、6.5 GHz的3 dB帶寬。 相關(guān)成果發(fā)表在Photonics Research 2018年第6卷第8期上 (doi.org/10.1364/PRJ.6.000776 )。

  Citation：Yating Wan, Daisuke Inoue, Daehwan Jung, Justin C. Norman, Chen Shang, Arthur C. Gossard, and John E. Bowers, "Directly modulated quantum dot lasers on silicon with a milliampere threshold and high temperature stability," Photon. Res. 6, 776-781 (2018)

  摩爾定律預測，高密度集成電路中的晶體管數量大約每?jì)赡攴环?。相應的，在硅片陣列上的大型計算機和光通信應用方面，對微型化和大規模集成光子元件持續增長(cháng)的需求，亦是集成光電子學(xué)科永恒的旋律。量子點(diǎn)激光器由于量子點(diǎn)中載流子在材料中的運動(dòng)受到三維限制，具有獨特的襯底缺陷影響被減小的性能。這使得基于量子點(diǎn)的硅上外延生長(cháng)器件在近年來(lái)的研究中取得了巨大的突破。為進(jìn)一步降低片上連接的光電器件能耗，具有單模激射特性的小尺寸微環(huán)激光器的研究引發(fā)了極大關(guān)注。

  利用量子點(diǎn)具備的側壁非輻射復合影響被減小的優(yōu)異性能，該研究基于將微環(huán)諧振腔與量子點(diǎn)相結合的新型激光器構架的設想，在硅上外延生長(cháng)小型電抽運量子點(diǎn)激光器，并通過(guò)復雜的工藝流程有效解決了電極金屬化受到微型尺寸腔限制的問(wèn)題、回音壁模式(WGM)在工藝過(guò)程中的缺陷引發(fā)的光學(xué)損耗問(wèn)題。與之前的實(shí)驗結果相比，此次研究結果 (1)同時(shí)實(shí)現了高溫工作環(huán)境穩定性(103 K特征溫度)及低閾值電流(3 mA);(2)報道了硅上外延生長(cháng)量子點(diǎn)微型激光器的調制特性(6.5 GHz的3 dB帶寬);(3)系統分析了器件性能隨尺寸減小的性能，驗證了硅上外延生長(cháng)的量子點(diǎn)微型器件密集大規模集成的可能性。

  美國集成光子制造創(chuàng )新中心副主任John Bowers教授表示，該項工作對在硅襯底上直接生長(cháng)III-V元素的外延工藝向替代傳統的晶圓接合工藝的發(fā)展邁出了重要一步，有望實(shí)現大規模制造的同時(shí)降低成本，縮小尺寸，減小功耗。第一作者萬(wàn)雅婷博士表示其課題組接下來(lái)將致力于集成耦合波導，以有效導出激光。同時(shí)，已完成分布反饋式(DFB)激光器、可調諧激光器等器件設計，該課題組將結合波導、調制器、光開(kāi)關(guān)、探測器等硅光子器件，組成光子鏈路并將其集成在同一材料平臺，實(shí)現高速、大容量的片上光通信。