中山大學(xué)在硅基外延多波長分布反饋式激光器陣列取得突破

中山大學(xué)余思遠(yuǎn)教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)： 硅基外延多波長分布反饋式激光器陣列

  ICCSZ訊 中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室余思遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)與英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)劉會赟教授團(tuán)隊(duì)合作，成功實(shí)現(xiàn)了國際上首例硅基外延生長電抽運(yùn)室溫連續(xù)工作分布反饋式(DFB)激光器陣列芯片。該芯片將是未來光通信技術(shù)的核心芯片，現(xiàn)有類似功能的非硅基芯片在今年的“中興事件”中被列入禁運(yùn)清單。該成果將我國的核心光電子集成芯片技術(shù)推向國際頂尖水平，對于在激烈的國際高技術(shù)競爭背景下打破國際壟斷，占領(lǐng)未來技術(shù)高地，提升我國自主研發(fā)能力，具有特別重要的意義。

  近年來在光通信、光互連巨大需求的推動下，硅基光電子集成技術(shù)蓬勃發(fā)展。但由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率不高，硅基光源這一核心器件成為制約其發(fā)展的瓶頸，特別是符合超高速光通信和波分復(fù)用要求的單色性好、波長精確可控的硅基激光器一直沒有實(shí)現(xiàn)。將發(fā)光特性優(yōu)良的III-V族化合物半導(dǎo)體材料直接外延生長到晶格不匹配的硅襯底上，并制作高性能硅基半導(dǎo)體激光器一直被視為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高性能硅基光源和光電集成芯片的關(guān)鍵核心技術(shù)途徑。

  本項(xiàng)研究中，中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室余思遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)依托其近年建設(shè)的先進(jìn)光電子集成工藝平臺，采用劉會赟團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)硅基外延量子點(diǎn)增益材料，成功制備了硅基直接外延生長的集成多波長分布反饋(DFB)激光器陣列芯片。DFB激光器示意圖如圖1所示。

  1 硅基DFB激光器示意圖。(a) 激光器剖面圖，展示了外延層結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和輸出耦合器;(b) 激光器陣列光學(xué)顯微鏡照片;(c)側(cè)壁布拉格光柵的電子顯微鏡照片，展示了超高寬深比的一階光柵。

  該芯片實(shí)現(xiàn)了電抽運(yùn)室溫連續(xù)工作，在1300 nm光通信波段輸出6個間隔為20 ± 0.2 nm的精確波長，覆蓋了寬達(dá)100 nm的波長范圍;其波長精度大幅度優(yōu)于該波段常用的粗波分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)，并接近密集波分復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)要求;陣列中的DFB激光器展現(xiàn)了極高的性能，其閾值電流僅12 mA，邊模抑制比高達(dá)50 dB;各項(xiàng)性能如圖2所示。這些性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已報(bào)道的硅基外延激光器，甚至達(dá)到了在晶格匹配襯底上生長的激光器的標(biāo)準(zhǔn)，首次將硅基外延激光器的性能推進(jìn)到了接近高速光通信實(shí)用器件的水平。

  圖2 硅基DFB激光器陣列在室溫連續(xù)電抽運(yùn)下的性能。(a) DFB激光器陣列的光譜圖，展示了高達(dá)100 nm的波長覆蓋范圍;(b) 側(cè)壁布拉格光柵的周期和激射波長的關(guān)系，展示了精確的波長控制;(c)閾值以下的DFB激光器光譜，展示l/4相移光柵保證單模激射;(d)單個DFB激光器的LIV曲線，展示4倍閾值抽運(yùn)電流范圍內(nèi)無跳模工作。

  本研究突破了數(shù)項(xiàng)光電子集成的關(guān)鍵核心技術(shù)，包括(1)研發(fā)了超高寬深比(>30:1，100 nm的光柵間隙刻蝕深度超過3000 nm)的精確光柵刻蝕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一次成型、且光柵周期控制精度達(dá)到了0.1 nm的一階布拉格光柵。(2)采用側(cè)壁光柵結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)極高的工藝穩(wěn)定性的同時避免了二次外延，極大簡化了加工流程。(3)實(shí)現(xiàn)了與激光器同時成型的集成抗反射輸出耦合器，避免了切片解理和腔面鍍膜。上述突破為硅基激光器芯片大規(guī)模低成本生產(chǎn)以及硅基波導(dǎo)的進(jìn)一步集成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并將我國的硅基光子集成技術(shù)推向了國際頂尖水平。審稿人評論該工作“在光子集成研究領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生強(qiáng)烈反響”。

  相關(guān)成果以“Monolithic quantum-dot distributed feedback laser array on silicon”為題，發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會(OSA)的旗艦刊物Optica [5,528(2018)]上。中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一作者單位，中山大學(xué)研究生王易和UCL皇家工程院研究員陳思銘為共同第一作者，陳思銘為第一通訊作者，共同通訊作者為UCL劉會赟教授和中山大學(xué)余思遠(yuǎn)教授。該工作得到中國國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、光電材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、英國工程物理協(xié)會基金重大項(xiàng)目、英國皇家工程院基金重大項(xiàng)目的大力支持。

  論文鏈接：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-5-528