電信波段多波長垂直發(fā)射量子阱納米線激光器陣列

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引言
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半導(dǎo)體納米線作為緊湊、低閾值的納米級激光器，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，正推動著光通信和光計算領(lǐng)域的創(chuàng)新。
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& z* M% A0 k( S8 r實現(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。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象[1]。


+ ?! ^8 B4 X, b' ]1 K# |創(chuàng)新的生長方法
; a3 w3 h% L2 D# D8 T% n: S8 y然而，外延生長同時具有良好結(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。
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$ `3 J- I/ ~- e7 ~' r8 y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。

: Q( Y) l5 Z0 R( w在這項研究中，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，并在室溫下實現(xiàn)跨電信波段的激光發(fā)射。

' q6 i: F% ~/ B: z/ b  v- @3 \生長過程與結(jié)構(gòu)表征
生長過程包括三個關(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。
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+ ^- y3 \+ F7 _2 G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，實現(xiàn)MQW在垂直方向上的激光發(fā)射。
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) a1 o' R; H, j: P. c& [使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)進行的結(jié)構(gòu)表征揭示了交替排列的六邊形量子阱和勢壘的同軸對稱排列。能量色散X射線光譜(EDX)確認了InGaAs量子阱的存在，平均組成為In0.85Ga0.15As0.4P0.6。
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. u. Y) u/ A5 \( ?2 E5 U# Y光學(xué)特性與激光表征
, g; q1 `8 [" u. Y- {& r  b! g" h光學(xué)表征顯示了覆蓋1.1-1.9μm波長范圍的強烈寬帶發(fā)射，載流子壽命短(約0.25ns)，表明由于量子限制效應(yīng)增強了載流子復(fù)合。


圖2：單個基底上納米線的激光特性表征。該圖顯示了發(fā)射光譜、強度圖和時間分辨測量，展示了激光行為。
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+ f7 Z3 B. A' N6 D% \# u通過對單個基底上納米線的光學(xué)泵浦評估了激光特性。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)并迅速增強了一個窄峰，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。
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' P3 g1 w$ X9 p0 p1 P4 L! e2 |在5K溫度下實現(xiàn)了閾值為2.7μJ cm-2每脈沖的單模激光。時間分辨測量顯示，在激光閾值以上，分辨率受限的受激輻射壽命約為35ps，證實了受激輻射的主導(dǎo)地位。
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模式分析與模擬
1 g9 R% A. N9 m/ a6 B為了理解激光模式，進行了有限差分時域(FDTD)模擬，分析了不同納米線直徑的閾值增益。結(jié)果結(jié)合偏振依賴測量表明，激光模式對應(yīng)于EH11a/b橫向模式。
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圖3：通過3D FDTD模擬進行模式識別。該圖顯示了不同激光模式的計算反射率、限制因子、閾值增益和偏振依賴性。

電信波段激光性能
3 ~9 P( t, @  S. ~7 W1 g" ?' m; W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。
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  x; ^5 v/ e- t3 U, f/ a2 e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納米線的同時激光發(fā)射。
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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。
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重要的是，展示了同一陣列中多個納米線的同時激光發(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。

結(jié)論與展望
這種納米線激光器陣列方法的主要優(yōu)勢包括：

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展性。
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這項工作在電信應(yīng)用納米級激光器領(lǐng)域取得了進展。精心設(shè)計的多步生長策略實現(xiàn)了對納米線形貌、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現(xiàn)經(jīng)濟高效、片上先進光電子和光電子集成芯片提供了良好基礎(chǔ)。
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* f: O6 Y: w: M1 f未來的研究可能會集中在這些納米線激光器的電注入、進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。

參考文獻
' f9 w$ @& r7 Z& K1 F: V[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.
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