美國研制出可直接調(diào)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(tuán)隊(duì)研發(fā)出可直接調(diào)制的硅上量子點(diǎn)微型激光器。該激光器通過外延生長，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(cè)壁非輻射復(fù)合影響被減小的優(yōu)異性能，并通過緩沖層的優(yōu)化以減少III-V族材料與硅晶圓界面的位錯(cuò)密度，該課題組在存在著反向疇、晶格失配和熱膨脹系數(shù)不同等巨大差異的異質(zhì)生長材料體系上實(shí)現(xiàn)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(wěn)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(yù)測，高密度集成電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。相應(yīng)的，在硅片陣列上的大型計(jì)算機(jī)和光通信應(yīng)用方面，對微型化和大規(guī)模集成光子元件持續(xù)增長的需求，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(yùn)動(dòng)受到三維限制，具有獨(dú)特的襯底缺陷影響被減小的性能。這使得基于量子點(diǎn)的硅上外延生長器件在近年來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(cè)壁非輻射復(fù)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(jié)合的新型激光器構(gòu)架的設(shè)想，在硅上外延生長小型電抽運(yùn)量子點(diǎn)激光器，并通過復(fù)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題、回音壁模式(WGM)在工藝過程中的缺陷引發(fā)的光學(xué)損耗問題。與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，此次研究結(jié)果 (1)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高溫工作環(huán)境穩(wěn)定性(103 K特征溫度)及低閾值電流(3 mA);(2)報(bào)道了硅上外延生長量子點(diǎn)微型激光器的調(diào)制特性(6.5 GHz的3 dB帶寬);(3)系統(tǒng)分析了器件性能隨尺寸減小的性能，驗(yàn)證了硅上外延生長的量子點(diǎn)微型器件密集大規(guī)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(xiàng)工作對在硅襯底上直接生長III-V元素的外延工藝向替代傳統(tǒng)的晶圓接合工藝的發(fā)展邁出了重要一步，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造的同時(shí)降低成本，縮小尺寸，減小功耗。第一作者萬雅婷博士表示其課題組接下來將致力于集成耦合波導(dǎo)，以有效導(dǎo)出激光。同時(shí)，已完成分布反饋式(DFB)激光器、可調(diào)諧激光器等器件設(shè)計(jì)，該課題組將結(jié)合波導(dǎo)、調(diào)制器、光開關(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(xiàn)高速、大容量的片上光通信。