[논문 리뷰] Electrically-Pumped Continuous-Wave Quantum-Dot Distributed Feedback Laser Array on Silicon

Yi Wang, Siming Chen외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 03.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기판에 직접 성장시킨 첫 번째 전기적 펌프, 연속모드, 단일모드 InAs/GaAs 양자점 분포피드백(DFB) 레이저 어레이를 보고하며, 실온에서 100 nm의 파장 범위와 20±0.2 nm의 채널 간격을 갖는 연속모드 다중화분할다중접속(CWDM)과 호환되는 성능을 나타낸다. 저항력 전류 밀도 550 A cm⁻²과 최대 50 dB의 측면 모드 억제비를 달성하여 실용적인 실리콘 포토닉스 통합을 향한 중대한 발걸음이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 기판에 전기적 펌프, 연속모드, 단일모드 레이저를 개발하여 통합 실리콘 포토닉스를 실현한다.
• 낮은 임계 전류 밀도와 높은 측면 모드 억제비(SMSR)를 유지하면서 실온에서 고성능 작동을 달성한다.
• 20±0.2 nm의 정밀한 채널 간격을 통해 다중화분할다중접속(CWDM) 호환성을 확보한다.
• 실용적인 광학 집적 회로를 위한 에피택셜 III-V 양자점 재료가 실리콘에 적합한지를 입증한다.
• 상업적 응용 수준의 성능에 가까운 성능을 달성함으로써 III-V 반도체 레이저와 실리콘 마이크로전자간 격차를 메운다.

제안 방법

• 분자선기상 epitaxial 성장 기술을 사용하여 실리콘 기반 기판에 InAs/GaAs 양자점 발광 물질을 성장시킨다.
• 파동도에서 주기적인 구조를 통해 단일모드 레이저 작동을 가능하게 하는 분포피드백(DFB) 격자 구조를 제작한다.
• DFB 주기성에 의해 광학 피드백 제어와 동시에 캐리어 주입을 위한 전기적 접점을 통합한다.
• 100 nm의 파장 조정 범위를 활용하여 정밀한 20±0.2 nm 간격의 다수의 CWDM 채널을 커버한다.
• 캐리어와 광학 모드를 효과적으로 구속하기 위해 매립형 헤테로구조 설계를 채택한다.
• 저임계 전류 밀도와 높은 SMSR를 달성하기 위해 장치 기하학적 구조와 도핑 프로파일을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 기반 기판에 직접 성장된 InAs/GaAs 양자점 레이저에서 실온에서 전기적 펌프, 연속모드, 단일모드 레이저 작동이 가능할 수 있는가?
• RQ2 이러한 레이저 어레이의 파장 조정 범위와 채널 간격은 다중화분할다중접속(CWDM) 호환성을 확보하기 위해 얼마나 되는가?
• RQ3 안정적인 단일모드 작동을 유지하면서 임계 전류 밀도를 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ4 측면 모드 억제비(SMSR)가 40 dB를 초과하는 정도로 높은 스펙트럼 순도를 나타내는가?
• RQ5 에피택셜 성장된 실리콘 기반 레이저의 성능이 실용적인 광학 집적 회로에 적합한 수준에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 레이저 어레이는 실온에서 연속모드 작동을 하며, 최저 임계 전류 밀도가 550 A cm⁻²에 도달한다.
• 장치는 최대 50 dB에 이르는 측면 모드 억제비(SMSR)를 나타내어 뛰어난 단일모드 안정성을 보인다.
• 레이저는 100 nm의 파장 범위에서 작동하여 다중파장 응용에 넓은 스펙트럼 커버리지를 제공한다.
• 채널 간격은 정확히 20±0.2 nm로 측정되어 다중화분할다중접속(CWDM) 표준과 호환됨을 확인한다.
• 에피택셜 성장된 실리콘 기반 레이저의 성능은 이제 실용적인 광학 집적 회로에 적용 가능한 수준에 도달했다.
• 이로써 실온에서 전기적 펌프, 연속모드, 단일모드 DFB 레이저 작동이 가능한 InAs/GaAs 양자점 레이저 어레이는 실리콘 기반에서 처음으로 이러한 높은 성능 지표를 달성했다.