硅基量子點激光器與硅波導(dǎo)單片集成進(jìn)展

硅基光電芯片在人工智能、超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、高性能計算、激光雷達(dá)（LiDAR）和微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

單片集成的硅基激光器具有低功耗、集成度高等優(yōu)點，是未來光互連和高速光通信芯片的發(fā)展趨勢。近年來，在硅襯底上直接外延生長III-V族量子點（QD）激光器取得了顯著的進(jìn)展，為硅基光電集成奠定了堅實的基礎(chǔ)，但尚未實現(xiàn)硅基激光器與光電子器件的單片集成。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心張建軍、王霆、王子昊近年來一直聚焦于面向大規(guī)模硅基光電子集成的硅基片上光源，在硅基可集成激光器方向取得了重要進(jìn)展，在國際上相關(guān)研究領(lǐng)域中處于前列。近年來的代表性工作包括實現(xiàn)了最寬的平頂量子點頻梳激光器，四個激光器陣列可達(dá)到4.8 Tbit/s的傳輸速率（Photon. Res. 2022; 10, 1308）；通過相位調(diào)控的自注入鎖定方法實現(xiàn)了硅基外延III-V族窄線寬量子點激光器（Photon. Res. 2022; 10, 1840）；率先實現(xiàn)了SOI基單片集成的InAs量子點單橫模激光器（ACS Photon. 2023; 10, 1813）。

團(tuán)隊近期與上海交通大學(xué)蘇翼凱、郭旭涵及松山湖材料實驗室韋文奇等人合作，在團(tuán)隊前期高質(zhì)量硅基III-V族材料基礎(chǔ)上，提出硅基嵌入式外延方法，將InAs/GaAs量子點激光器與硅波導(dǎo)集成在同一SOI襯底上（圖1），成功將硅基激光器的光通過端面耦合到硅波導(dǎo)，首次實現(xiàn)了激光器與波導(dǎo)的單片集成，被審稿人評價為“具有巨大科學(xué)和技術(shù)影響力的出色研究工作，這是集成光子領(lǐng)域的重大進(jìn)展”。

圖1. 激光器與波導(dǎo)單片集成器件

研究人員研究了嵌入式激光器的不同溫度L-I曲線及耦合后的輸出功率。在連續(xù)波（CW）電流操作模式下激光器激射溫度可至95℃以上，室溫閾值電流約為50 mA。注入電流為250 mA時，最大輸出功率為37 mW。在注入電流為210 mA時，嵌入式激光器通過硅波導(dǎo)耦合輸出的光學(xué)功率達(dá)到6.8 mW（圖2）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)與常見的具有單個尖端的反向錐形耦合器相比，具有多個錐形尖端的邊緣耦合器由于其光斑尺寸與激光器的模式輪廓更相似，因此具有更高的耦合效率和更好的對準(zhǔn)容差。

圖2. SOI基集成III-V族量子點激光器的工作特性 相關(guān)研究結(jié)果以“Monolithic integration of embedded III-V lasers on SOI”為題發(fā)表在Light: Science & Application 雜志上(Light. Sci. Appl.12, 84 (2023) )，該文章的第一作者為中科院物理所博士后韋文奇（現(xiàn)松山湖材料實驗室副研究員），博士生楊礴，副研究員王子昊與上海交通大學(xué)博士生何安。通訊作者為張建軍研究員、王霆副研究員、蘇翼凱教授和郭旭涵副教授。 上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)杰出青年基金、面上基金，中科院青促會的支持。

審核編輯：劉清