電信波段多波長垂直發(fā)射量子阱納米線激光器陣列

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
, [, P& F; d8 Y* s3 X9 X3 b
! Z8 X8 ?6 x: D9 G$ [0 L& x0 d半導(dǎo)體納米線作為緊湊、低閾值的納米級(jí)激光器，在光互連、醫(yī)療診斷和超分辨率成像等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。特別是電信波段納米線激光器作為光電子集成芯片上的相干光源，正推動(dòng)著光通信和光計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)新。
. U4 s/ G4 g# n( p5 G5 n3 d
( A/ A$ D0 v- d- |實(shí)現(xiàn)高性能電信波段納米線激光器，需要關(guān)注高效增益介質(zhì)、最佳增益范圍和有效的光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)。這就需要外延生長具有光滑側(cè)壁、可控尺寸和精確晶體成分的高質(zhì)量納米線。具有徑向多量子阱(MQWs)的核殼納米線由于其大面積有源區(qū)、可調(diào)帶隙能量和量子限制效應(yīng)，成為非常有吸引力的候選對(duì)象[1]。

8 O6 w+ x4 r7 t! _3 p+ H- u6 h
創(chuàng)新的生長方法
$ q5 Y+ m/ s& x, v然而，外延生長同時(shí)具有良好結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能以及均勻形貌的MQW結(jié)構(gòu)一直是重大挑戰(zhàn)。以往的生長方法常常導(dǎo)致錐形、不均勻的形貌或缺陷，降低了光學(xué)性能。


圖1：MQW納米線陣列的結(jié)構(gòu)和光學(xué)表征。該圖展示了納米線陣列的生長過程、掃描電鏡圖像、透射電鏡分析和光致發(fā)光映射。

在這項(xiàng)研究中，研究人員通過選擇性區(qū)域外延(SAE)引入了創(chuàng)新的多步面工程方法，用于纖鋅礦(WZ)基InGaAs/InP MQW納米線的生長。這種方法實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、均勻的納米線陣列生長，可精確控制尺寸，形成垂直法布里-珀羅諧振腔，并在室溫下實(shí)現(xiàn)跨電信波段的激光發(fā)射。
! t  ]) w7 U# P+ _
生長過程與結(jié)構(gòu)表征
6 P- j1 V7 i/ ]0 U" l6 s生長過程包括三個(gè)關(guān)鍵步驟：

在高溫和低V/III比條件下生長WZ InP納米線核心到所需長度。

將生長條件改變?yōu)榈蜏睾透遃/III比，促進(jìn)橫向InP殼層生長，使納米線側(cè)壁從{1-100}轉(zhuǎn)變?yōu)閧11-20}取向。

在經(jīng)過面工程的核殼結(jié)構(gòu)上生長InGaAs/InP MQWs，保持六邊形形狀和光滑形貌。
6 I8 {' k. U) j0 {0 l8 ?. p) C[/ol]
+ Y4 M$ A9 s* D: O8 j這種方法生長的納米線具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，形成高Q因子的垂直法布里-珀羅諧振腔，實(shí)現(xiàn)MQW在垂直方向上的激光發(fā)射。

使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)表征揭示了交替排列的六邊形量子阱和勢(shì)壘的同軸對(duì)稱排列。能量色散X射線光譜(EDX)確認(rèn)了InGaAs量子阱的存在，平均組成為In0.85Ga0.15As0.4P0.6。
; Q  n  E+ u3 T# _+ m
% A0 E+ Y5 T. |3 i% w" @2 k光學(xué)特性與激光表征
- ~; y0 b+ R7 N6 C6 u2 A7 w7 ^光學(xué)表征顯示了覆蓋1.1-1.9μm波長范圍的強(qiáng)烈寬帶發(fā)射，載流子壽命短(約0.25ns)，表明由于量子限制效應(yīng)增強(qiáng)了載流子復(fù)合。
* Z4 M, `2 n: R7 |1 P7 C& `; F5 K5 U
  S* {  u8 ^. m6 l8 b3 t
3 D: @7 c& C9 x. a, {圖2：單個(gè)基底上納米線的激光特性表征。該圖顯示了發(fā)射光譜、強(qiáng)度圖和時(shí)間分辨測(cè)量，展示了激光行為。
3 c2 P! {- J5 O- p5 [3 |- D  K
, l1 B' K* `6 Y- C* H通過對(duì)單個(gè)基底上納米線的光學(xué)泵浦評(píng)估了激光特性。在低泵浦通量下，觀察到來自InP和InGaAs量子阱的寬帶光致發(fā)光。隨著泵浦通量增加，出現(xiàn)并迅速增強(qiáng)了一個(gè)窄峰，展示了從自發(fā)輻射到放大自發(fā)輻射，最后到受激輻射的轉(zhuǎn)變過程。

5 A8 O0 h" Y" K& j: U在5K溫度下實(shí)現(xiàn)了閾值為2.7μJ cm-2每脈沖的單模激光。時(shí)間分辨測(cè)量顯示，在激光閾值以上，分辨率受限的受激輻射壽命約為35ps，證實(shí)了受激輻射的主導(dǎo)地位。
  j, G0 @7 u$ q; n8 _! [& |9 p4 F
3 f! R1 k) f8 G4 ^( d模式分析與模擬
為了理解激光模式，進(jìn)行了有限差分時(shí)域(FDTD)模擬，分析了不同納米線直徑的閾值增益。結(jié)果結(jié)合偏振依賴測(cè)量表明，激光模式對(duì)應(yīng)于EH11a/b橫向模式。
4 a% I5 q) Q$ h# j  i/ e' \' j
: Y" R+ V, G( Q+ M9 u" J/ y6 F. r( k
圖3：通過3D FDTD模擬進(jìn)行模式識(shí)別。該圖顯示了不同激光模式的計(jì)算反射率、限制因子、閾值增益和偏振依賴性。

電信波段激光性能
* q5 n% l' v  n2 N4 I為了將激光波長延伸到重要的電信波段，研究人員生長了具有不同銦組分量子阱的InGaAs/InP MQW納米線陣列。這實(shí)現(xiàn)了中心波長為1532nm的室溫激光，閾值功率低至約28.2μJ cm-2每脈沖。


圖4：電信波段激光特性表征。該圖展示了激光光譜、溫度依賴性以及陣列中多個(gè)納米線的同時(shí)激光發(fā)射。

4 U1 _3 }9 L; U+ T! O, t' Z: E通過調(diào)節(jié)銦組分，激光波長可以在電信O波段到C波段(1356至1542nm)范圍內(nèi)調(diào)諧。獲得了128K的高特征溫度，表明溫度穩(wěn)定性良好。
5 u6 @! q/ t) h' j. k8 I; x
重要的是，展示了同一陣列中多個(gè)納米線的同時(shí)激光發(fā)射。這種集體激光現(xiàn)象為生產(chǎn)大規(guī)模、高密度納米激光源用于集成光電子應(yīng)用提供了巨大潛力。

. C" Z% F0 c4 ]$ u, a, z結(jié)論與展望
9 k, W, p6 |) `. q- J這種納米線激光器陣列方法的主要優(yōu)勢(shì)包括：
0 A5 c0 j- \: j/ C7 q8 o

垂直發(fā)射方向，便于與片上波導(dǎo)耦合或平面外收集。

低激光閾值和高特征溫度，允許在室溫下高效運(yùn)行。

跨電信波段的波長可調(diào)性，滿足各種光通信應(yīng)用需求。

有序陣列中大量納米線的均勻激光發(fā)射，展示了用于集成光電子線路的可擴(kuò)展性。

這項(xiàng)工作在電信應(yīng)用納米級(jí)激光器領(lǐng)域取得了進(jìn)展。精心設(shè)計(jì)的多步生長策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米線形貌、組成和光學(xué)性能的精確控制。所得到的垂直發(fā)射納米線激光器陣列為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、片上先進(jìn)光電子和光電子集成芯片提供了良好基礎(chǔ)。

/ H3 N5 Y( C6 p3 {" E$ j9 k未來的研究可能會(huì)集中在這些納米線激光器的電注入、進(jìn)一步提高大型陣列中激光納米線的均勻性和產(chǎn)率，以及將這些激光源與其他片上光電子器件集成。

. W, M! w5 @& C! L, v+ l參考文獻(xiàn)
" c. p. p% e1 z9 S% u6 b  }# m; D' L[1] X. Zhang et al., "Telecom-band multiwavelength vertical emitting quantum well nanowire laser arrays," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 230, 2024.
END


( o$ m3 k  U' c) Z9 G軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
. v* M+ _! a" k$ V( H
歡迎轉(zhuǎn)載

" f* B: n) w! I% Q, x$ Z轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

2 Q5 E5 u/ M3 h+ w" B8 {) O
/ q& n5 Y3 {/ v
2 p9 R% o( T9 K( t5 D. Z, Z

% e5 c2 t/ v9 s關(guān)注我們

0 z/ _2 U+ H( C3 {8 [

4 D: n, |; N  ~1 ?+ @# T) K ( C1 x7 X( i9 C& u

5 j! I$ n, E5 ~$ A% D% m

                     

- [# x+ ^8 ]/ x6 J" t( U
0 a' K; X& |. J  V9 u: p& D$ m
關(guān)于我們：
. Q/ C8 e6 A; C深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
% K* R8 o8 D" i* S
7 }7 x' D9 {1 shttp://www.latitudeda.com/
' [' a! O% X$ @! H9 f% v0 G（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）