[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文首次展示了在硅衬底上直接外延生长的电泵浦、连续波、单模InAs/GaAs量子点分布反馈（DFB）激光器阵列，可在室温下工作，具有100 nm的波长调谐范围和20±0.2 nm的通道间隔，兼容粗波分复用（CWDM）。其阈值电流密度低至550 A cm⁻²，边模抑制比（SMSR）高达50 dB，标志着硅光子学集成向实用化迈出了重要一步。

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.

研究动机与目标

• 开发基于硅衬底的电泵浦、连续波、单模激光器，用于集成硅光子学。
• 实现在室温下高性能工作，具有低阈值电流和高边模抑制比（SMSR）。
• 通过精确的20±0.2 nm通道间隔，实现粗波分复用（CWDM）兼容性。
• 证明外延生长的III-V族量子点材料在硅上用于实际光子集成电路的可行性。
• 通过实现接近商用应用标准的性能，弥合III-V族半导体激光器与硅基微电子技术之间的差距。

提出的方法

• 采用分子束外延技术，在硅衬底上外延生长InAs/GaAs量子点增益材料。
• 制备分布反馈（DFB）光栅结构，通过波导中周期性调制实现单模受激辐射。
• 集成电极以实现载流子注入，并通过DFB周期性结构实现光学反馈控制。
• 利用100 nm的波长调谐范围，覆盖多个CWDM信道，实现精确的20±0.2 nm通道间隔。
• 采用埋入异质结构设计，有效限制载流子和光场模式。
• 通过优化器件几何结构和掺杂分布，实现低阈值电流密度和高SMSR。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下实现直接外延生长于硅衬底上的InAs/GaAs量子点激光器的电泵浦、连续波、单模激射？
• RQ2 此类激光器阵列的可实现波长调谐范围和通道间隔是多少，是否满足CWDM兼容性要求？
• RQ3 在保持稳定单模运转的前提下，阈值电流密度最低可降至何种水平？
• RQ4 边模抑制比（SMSR）在多大程度上超过40 dB，表明其具有优异的光谱纯度？
• RQ5 外延生长的硅基激光器性能是否已达到适用于实际光子集成的水平？

主要发现

• 激光器阵列实现了室温下的连续波工作，最低阈值电流密度为550 A cm⁻²。
• 器件表现出高达50 dB的边模抑制比（SMSR），表明具有优异的单模稳定性。
• 激光器在100 nm的波长范围内工作，可实现多波长应用的广泛光谱覆盖。
• 通道间隔精确为20±0.2 nm，证实与粗波分复用（CWDM）标准兼容。
• 外延生长的硅基激光器性能已足够先进，可被视为适用于实际光子集成电路的可行方案。
• 这是首次在InAs/GaAs量子点硅基DFB激光器中实现电泵浦、连续波、单模激射，并达到如此高水平的性能指标。