美國研制出可直接調(diào)制的硅上量子點微型激光器

  ICCSZ訊 近日，美國工程院院士、加州大學圣芭芭拉分校John Bowers教授帶領的光電研究團隊研發(fā)出可直接調(diào)制的硅上量子點微型激光器。該激光器通過外延生長，集成在與CMOS工藝兼容的硅晶圓上。利用量子點特有的襯底缺陷影響、側(cè)壁非輻射復合影響被減小的優(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(shù)量大約每兩年翻一番。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(guī)模集成光子元件持續(xù)增長的需求，亦是集成光電子學科永恒的旋律。量子點激光器由于量子點中載流子在材料中的運動受到三維限制，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)了極大關注。

  利用量子點具備的側(cè)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)諧振腔與量子點相結(jié)合的新型激光器構架的設想，在硅上外延生長小型電抽運量子點激光器，并通過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題、回音壁模式(WGM)在工藝過程中的缺陷引發(fā)的光學損耗問題。與之前的實驗結(jié)果相比，此次研究結(jié)果 (1)同時實現(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)報道了硅上外延生長量子點微型激光器的調(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，驗證了硅上外延生長的量子點微型器件密集大規(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，有望實現(xiàn)大規(guī)模制造的同時降低成本，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，以有效導出激光。同時，已完成分布反饋式(DFB)激光器、可調(diào)諧激光器等器件設計，該課題組將結(jié)合波導、調(diào)制器、光開關、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，實現(xiàn)高速、大容量的片上光通信。