[論文レビュー] Electrically-Pumped Continuous-Wave Quantum-Dot Distributed Feedback Laser Array on Silicon

Yi Wang, Siming Chen+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、室温で連続モードで動作し、100 nmの波長範囲と20±0.2 nmのチャネル間隔を有する、シリコン基板上に直接成長された電流駆動型、連続モード、単モードInAs/GaAs量子ドット分布フィードバック（DFB）レーザー・アレイを初めて報告する。これはCWDMと互換性があり、低しきい値電流密度550 A cm⁻²および最大50 dBの側モード抑制度（SMSR）を達成しており、実用的なシリコンフォトニクス統合への大きな一歩を示している。

ABSTRACT

Electrically-pumped lasers directly grown on silicon are key devices interfacing silicon microelectronics and photonics. We report here for the first time, an electrically pumped, room temperature, continuous-wave and single-mode distributed feedback (DFB) laser array fabricated in InAs/GaAs quantum-dot gain material epitaxially grown on silicon with a record wavelength covering range of 100 nm. The array is also coarse wavelength division multiplexing (CWDM) compatible, with an accurate channel spacing of 20$\pm$0.2 nm. Individual devices have a threshold as low as 550 A cm-2 at room temperature and stable single mode operation with a side mode suppression ratio (SMSR) as high as 50 dB. For the first time, the performance of epitaxially grown silicon-based lasers is elevated to the point so close to practical applications, showing the great potential of this technology.

研究の動機と目的

• 集積シリコンフォトニクス向けに、シリコン基板上に電流駆動型、連続モード、単モードレーザーを実現すること。
• 室温で低しきい値電流密度と高い側モード抑制度（SMSR）を実現する高性能な動作を達成すること。
• 20±0.2 nmの正確なチャネル間隔により、粗波長分割多重（CWDM）との互換性を実現すること。
• エピタキシャルIII-V量子ドット材料をシリコン上に成長させることで、実用的フォトニック集積回路への実現可能性を示すこと。
• 商業応用水準に近い性能を達成することで、III-V半導体レーザーとシリコンマイクロエレクトロニクスの間のギャップを埋めること。

提案手法

• 分子線エpitaxial成長法を用いて、シリコン基板上にInAs/GaAs量子ドット発光材料をエピタキシャル成長させること。
• 波導内の周期的構造を有する分布フィードバック（DFB）グレーティング構造を形成し、単モード発振を実現すること。
• DFBの周期的構造を介したキャリア注入と光学フィードバック制御のための電極を統合すること。
• 100 nmの波長調整範囲を活用し、正確に20±0.2 nmの間隔を持つ複数のCWDMチャネルをカバーすること。
• キャリアおよび光モードを効果的に閉じ込めるために埋め込みヘテロ構造を採用すること。
• 低しきちょう値電流密度と高いSMSRを達成するため、デバイスの幾何形状およびドーピングプロファイルを最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温で電流駆動型、連続モード、単モード発光が、直接シリコン基板上に成長されたInAs/GaAs量子ドットレーザーで達成可能か？
• RQ2 このようなレーザー・アレイの波長調整範囲とチャネル間隔は、CWDM互換性を満たすためにどの程度達成可能か？
• RQ3 安定した単モード動作を維持しながら、しきちょう値電流密度をどの程度まで低減できるか？
• RQ4 側モード抑制度（SMSR）が40 dBを超える程度は、高いスペクトル純度を示しているか？
• RQ5 エピタキシャル成長によるシリコン基板上レーザーの性能が、実用的フォトニック集積回路に適した水準に達しているか？

主な発見

• レーザー・アレイは室温で連続モード動作を達成し、しきちょう値電流密度が低くても550 A cm⁻²にまで低下した。
• 装置は最大50 dBの側モード抑制度（SMSR）を示し、優れた単モード安定性を示している。
• レーザーは100 nmの波長範囲で動作可能であり、多波長応用の広範なスペクトルカバレッジを実現している。
• チャネル間隔は正確に20±0.2 nmであり、粗波長分割多重（CWDM）基準との互換性が確認された。
• エピタキシャル成長によるシリコン基板上レーザーの性能は、実用的フォトニック集積回路に十分に適応可能であると評価された。
• これは、このような高い性能指標を有する電流駆動型、連続モード、単モードDFBレーザーが、InAs/GaAs量子ドットをシリコン上に成長させたもので初めて実証された。