เลเซอร์ควอนตัมดอทที่ใช้ซิลิคอนผสานรวมกับเสาหินนำคลื่นซิลิคอน
ชิปออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนมีการใช้งานที่หลากหลายในด้านปัญญาประดิษฐ์ ศูนย์ข้อมูลระดับไฮเปอร์สเกล คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง เรดาร์เปล่งแสง (LIDAR) และโฟโตนิกไมโครเวฟ เลเซอร์ที่ใช้ซิลิกอนที่บูรณาการแบบเสาหินมีข้อดีคือใช้พลังงานต่ำและการบูรณาการสูง ซึ่งเป็นแนวโน้มการพัฒนาในอนาคตของการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบออปติคัลและชิปการสื่อสารแบบออปติกความเร็วสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเติบโตโดยตรงของ epitaxx ของเลเซอร์ควอนตัมดอท (QD) กลุ่ม III-V บนพื้นผิวซิลิกอนทำให้เกิดความก้าวหน้าที่น่าทึ่ง โดยวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอน แต่เป็นการรวมเสาหินของเลเซอร์ที่ใช้ซิลิกอนและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ยังไม่ได้รับการตระหนักรู้
Jianjun Zhang, Ting Wang และ Zihao Wang จากสถาบันฟิสิกส์, Chinese Academy of Sciences (IPS)/ศูนย์วิจัยแห่งชาติสำหรับฟิสิกส์เรื่องควบแน่น (NRCP) ในกรุงปักกิ่ง ได้มุ่งเน้นไปที่แหล่งกำเนิดแสงบนชิปที่ใช้ซิลิคอนสำหรับเทคโนโลยีขนาดใหญ่ การบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนในระดับขนาดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และได้สร้างความก้าวหน้าที่สำคัญในทิศทางของเลเซอร์ที่บูรณาการได้โดยใช้ซิลิคอน ซึ่งอยู่ในระดับแนวหน้าของสาขาการวิจัยระดับนานาชาติที่เกี่ยวข้อง ผลงานตัวแทนของเขาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้แก่ การสร้างเลเซอร์หวีความถี่ควอนตัมจุดยอดแบนที่กว้างที่สุด โดยมีอัตราการส่งข้อมูล 4.8 Tbit/s สำหรับอาเรย์เลเซอร์ 4 ตัว (Photon. Res. 2022; 10, 1308) และ การใช้เลเซอร์ควอนตัมดอทกลุ่ม III-V ของ epitaxial บนซิลิคอนที่มีเส้นตรงแคบโดยการล็อคการฉีดด้วยตนเองแบบปรับเฟส (Photon. Res. 2022; 10, 1308) เช่นเดียวกับการใช้เลเซอร์ควอนตัมดอทกลุ่ม epitaxis III-V บน ซิลิคอนโดยการล็อคการฉีดตัวเองแบบปรับเฟส (Photon. Res. 2022; 10, 1840); และเป็นผู้บุกเบิกการใช้เลเซอร์โหมดควอนตัมดอทเดี่ยวตามขวางแบบเสาหินที่ใช้ SOI (ACS Photon. 2023; 10, 1813) เมื่อเร็ว ๆ นี้ทีมงานได้ร่วมมือกับ Yikai Su และ Xuhan Guo จาก Shanghai Jiaotong University และ Wenqi Wei จาก Songshan Lake Materials Laboratory เป็นต้น บนพื้นฐานของวัสดุ III-V ที่ใช้ซิลิกอนคุณภาพสูงก่อนหน้านี้ของทีม ทีมงานเสนอซิลิคอน- วิธี epitaxy แบบฝังที่ใช้เพื่อรวมเลเซอร์ควอนตัมดอท InAs/GaAs และท่อนำคลื่นซิลิกอนไว้บนพื้นผิวซอยเดียวกัน (รูปที่ 1) ซึ่งประสบความสำเร็จในการส่งผ่านแสงจากเลเซอร์ที่ใช้ซิลิกอนผ่านเลเซอร์ ไปยังท่อนำคลื่นซิลิคอนผ่านส่วนปลาย โดยตระหนักถึงการบูรณาการเสาหินของเลเซอร์และท่อนำคลื่นเป็นครั้งแรก ซึ่งได้รับการประเมินโดยผู้ตรวจสอบว่าเป็น "งานวิจัยที่ยอดเยี่ยมที่มีผลกระทบทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ยอดเยี่ยม และนี่คือความก้าวหน้าที่สำคัญในสาขา โฟโตนิกส์แบบบูรณาการ”
นักวิจัยได้ตรวจสอบเส้นโค้ง LI ของเลเซอร์ที่ฝังไว้ที่อุณหภูมิต่างๆ และกำลังขับหลังการเชื่อมต่อ อุณหภูมิการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ในโหมดการทำงานของกระแสคลื่นต่อเนื่อง (CW) สามารถสูงถึง 95 องศาขึ้นไป โดยมีกระแสกระแสไฟตามเกณฑ์อุณหภูมิห้องประมาณ 50 mA และกำลังเอาต์พุตสูงสุด 37 mW ที่กระแสการฉีด 250 mA . ที่กระแสการฉีด 210 mA เลเซอร์ที่ฝังไว้จะส่งออกพลังงานแสง 6.8 mW ควบคู่ไปกับท่อนำคลื่นซิลิคอน (รูปที่ 2) นอกจากนี้ พบว่าข้อต่อขอบที่มีปลายเรียวหลายอันมีประสิทธิภาพในการจับยึดที่สูงกว่าและมีความทนทานต่อการจัดตำแหน่งที่ดีกว่าข้อต่อข้อต่อเรียวกลับด้านทั่วไปที่มีปลายเดียว เนื่องจากขนาดสปอตที่คล้ายกับโปรไฟล์โหมดของเลเซอร์มากกว่า
ผลการศึกษาได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ใน Light: Science & Application (Light. Sci. Appl. 12, 84 (2023)) โดยมีผู้เขียนคนแรก Wenqi Wei ซึ่งเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Institute of Physics, CAS (ปัจจุบันเป็นนักวิจัยร่วม) ที่ห้องปฏิบัติการวัสดุทะเลสาบซงซาน), Majestic Yang นักศึกษาปริญญาเอก, Hao Zi รองนักวิจัย และ An He นักศึกษาปริญญาเอกจาก Shanghai Jiaotong University Dr. Hao Wang รองนักวิจัย และ An He Ph. ผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ นักวิจัย Jianjun Zhang รองนักวิจัย Ting Wang ศาสตราจารย์ Yikai Su และรองศาสตราจารย์ Xuhan Guo
งานวิจัยข้างต้นได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน กองทุนเยาวชนที่โดดเด่นด้านวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติและกองทุนระดับบนสุด และคณะกรรมการส่งเสริมเยาวชนของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน
การบูรณาการเสาหินของเลเซอร์ควอนตัมดอทที่ใช้ซิลิคอนกับท่อนำคลื่นซิลิคอน
รูปที่ 1 อุปกรณ์รวมเสาหินเลเซอร์และท่อนำคลื่น
รูปที่ 2 ลักษณะการทำงานของเลเซอร์ควอนตัมดอท III-V แบบรวมในซอย
