量子點(diǎn)激光器在硅基集成推進(jìn)新一代通信技術(shù)的光電子集成

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 2024-12-5 08:00:00

引言
自1962年半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在光通信和消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域帶來了革命性的變化。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)級(jí)增長——2022年達(dá)到4.8澤字節(jié)(ZB)，年增長率25%——開發(fā)更高能效的光通信系統(tǒng)變得極為迫切。這對(duì)數(shù)據(jù)中心尤其重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心目前消耗了全球約2%的電力。將量子點(diǎn)激光器與硅基光電子技術(shù)相結(jié)合，為解決這些挑戰(zhàn)提供了有效方案，同時(shí)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用創(chuàng)造了新機(jī)遇[1]。

硅基優(yōu)勢(shì)
硅長期以來作為微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料，在光電子集成方面具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過二十多年發(fā)展的成熟硅基光電子平臺(tái)，充分利用了現(xiàn)有的CMOS制造基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)提供了優(yōu)異的光學(xué)特性。這些特性包括高折射率對(duì)比度，可實(shí)現(xiàn)低損耗波導(dǎo)和高效光柵耦合器。硅與摻雜技術(shù)的兼容性使高速調(diào)制器成為現(xiàn)實(shí)，而與鍺的結(jié)合則實(shí)現(xiàn)了高效光電探測(cè)器。更重要的是，硅基光電子技術(shù)通過300毫米晶圓加工提供了大規(guī)模制造能力。

圖1：量子點(diǎn)激光器在硅基上的詳細(xì)制造工藝流程，展示了從初始襯底準(zhǔn)備到最終器件完成的關(guān)鍵步驟。

量子點(diǎn)技術(shù)突破
半導(dǎo)體激光器的發(fā)展經(jīng)歷了多次重大進(jìn)步，從基本的同質(zhì)結(jié)器件發(fā)展到復(fù)雜的量子阱結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)代表了這一進(jìn)程中的最新突破。這些納米尺度結(jié)構(gòu)（通常為數(shù)十納米）在三個(gè)維度上限制載流子，形成所謂的"零維"結(jié)構(gòu)。通過在GaAs襯底上外延生長InAs的自組裝過程可以形成這些結(jié)構(gòu)。

1982年，東京大學(xué)的荒川泰彥首次提出量子點(diǎn)概念，預(yù)言與量子阱激光器相比，量子點(diǎn)激光器具有更低的閾值電流和更好的溫度穩(wěn)定性。量子點(diǎn)中的離散能態(tài)創(chuàng)造了近乎對(duì)稱的增益譜和較小的線寬增強(qiáng)因子，實(shí)現(xiàn)了無需光隔離器的窄線寬運(yùn)行。這些特性使量子點(diǎn)特別適合與硅基光電子技術(shù)集成。

圖2：量子點(diǎn)激光器性能的綜合表征，顯示了(a)封裝器件，(b)不同腔長的頻率噪聲譜，(c)耦合腔設(shè)計(jì)，以及(d,e)展示超窄線寬運(yùn)行的噪聲測(cè)量結(jié)果。

集成工藝與結(jié)果
量子點(diǎn)激光器在硅基上的異質(zhì)集成涉及精確的工藝優(yōu)化。我們?cè)诎⒉范爬瓏蹩萍即髮W(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種使用500納米厚硅層的硅絕緣體(SOI)襯底的方法，與標(biāo)準(zhǔn)220納米平臺(tái)相比，提供了硅和量子點(diǎn)區(qū)域之間更好的模式重疊。

制造工藝始于對(duì)SOI晶圓進(jìn)行三種不同深度的刻蝕：條形波導(dǎo)500納米，肋形波導(dǎo)231納米，光柵結(jié)構(gòu)20納米。然后將含有量子點(diǎn)有源區(qū)的GaAs晶圓鍵合到這個(gè)圖形化表面上，隨后進(jìn)行襯底移除和后續(xù)加工步驟，最終形成激光器結(jié)構(gòu)。

量子點(diǎn)有源區(qū)與硅波導(dǎo)之間的光耦合通過近場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的錐形結(jié)構(gòu)優(yōu)化了III-V族材料和硅之間的過渡。最終器件展示了令人印象深刻的性能指標(biāo)，包括：

邊模抑制比大于60dB的單模運(yùn)行

低閾值電流密度31安培/平方厘米

13千兆赫茲的高調(diào)制帶寬

自由運(yùn)行狀態(tài)下41千赫茲的窄線寬

通過先進(jìn)腔體設(shè)計(jì)可能實(shí)現(xiàn)亞赫茲線寬

未來發(fā)展與挑戰(zhàn)
雖然硅基量子點(diǎn)激光器在提高光通信能效方面顯示出巨大潛力，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)仍存在多個(gè)挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

擴(kuò)展到300毫米晶圓的集成

將量子點(diǎn)激光器與高速硅調(diào)制器和光電探測(cè)器組合

在數(shù)據(jù)中心工作條件下進(jìn)行全面的可靠性測(cè)試

在保持高良率的同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)成本

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍超越了數(shù)據(jù)中心，延伸到光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物化學(xué)傳感和量子計(jì)算等新興領(lǐng)域。在硅芯片上直接集成高效激光源的能力，可以通過改善性能和可靠性來推動(dòng)這些領(lǐng)域的發(fā)展。

量子點(diǎn)與硅基光電子技術(shù)的融合標(biāo)志著一個(gè)重要進(jìn)展，不僅滿足了全球通信日益增長的能源需求，還通過降低功耗實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益，同時(shí)為計(jì)算和傳感領(lǐng)域開創(chuàng)了新應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷成熟，性能提升和環(huán)境效益將會(huì)持續(xù)增長。

參考文獻(xiàn)
[1] Prokoshin and Y. Wan, "Quantum-dot lasers on silicon: Integrating quantum-dot lasers on silicon photonic chips promises to create high-speed devices for datacom and other applications," PIC Magazine, vol. III, pp. 50-53, 2024.

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