中山大學在硅基外延多波長分布反饋式激光器陣列取得突破

中山大學余思遠教授聯(lián)合團隊： 硅基外延多波長分布反饋式激光器陣列

  ICCSZ訊 中山大學光電材料與技術國家重點實驗室余思遠教授團隊與英國倫敦大學學院(UCL)劉會赟教授團隊合作，成功實現(xiàn)了國際上首例硅基外延生長電抽運室溫連續(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”中被列入禁運清單。該成果將我國的核心光電子集成芯片技術推向國際頂尖水平，對于在激烈的國際高技術競爭背景下打破國際壟斷，占領未來技術高地，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蓬勃發(fā)展。但由于硅是間接帶隙半導體，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現(xiàn)。將發(fā)光特性優(yōu)良的III-V族化合物半導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體激光器一直被視為實現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高性能硅基光源和光電集成芯片的關鍵核心技術途徑。

  本項研究中，中山大學光電材料與技術國家重點實驗室余思遠團隊依托其近年建設的先進光電子集成工藝平臺，采用劉會赟團隊的先進硅基外延量子點增益材料，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，展示了外延層結構、光波導結構和輸出耦合器;(b) 激光器陣列光學顯微鏡照片;(c)側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。

  該芯片實現(xiàn)了電抽運室溫連續(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用標準，并接近密集波分復用標準要求;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50 dB;各項性能如圖2所示。這些性能指標遠遠超過了已報道的硅基外延激光器，甚至達到了在晶格匹配襯底上生長的激光器的標準，首次將硅基外延激光器的性能推進到了接近高速光通信實用器件的水平。

  圖2 硅基DFB激光器陣列在室溫連續(xù)電抽運下的性能。(a) DFB激光器陣列的光譜圖，展示了高達100 nm的波長覆蓋范圍;(b) 側壁布拉格光柵的周期和激射波長的關系，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倍閾值抽運電流范圍內無跳模工作。

  本研究突破了數(shù)項光電子集成的關鍵核心技術，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，實現(xiàn)了一次成型、且光柵周期控制精度達到了0.1 nm的一階布拉格光柵。(2)采用側壁光柵結構，在實現(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)模低成本生產以及硅基波導的進一步集成打下了堅實的基礎，并將我國的硅基光子集成技術推向了國際頂尖水平。審稿人評論該工作“在光子集成研究領域將產生強烈反響”。

  相關成果以“Monolithic quantum-dot distributed feedback laser array on silicon”為題，發(fā)表在美國光學學會(OSA)的旗艦刊物Optica [5,528(2018)]上。中山大學光電材料與技術國家重點實驗室為第一作者單位，中山大學研究生王易和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余思遠教授。該工作得到中國國家自然科學基金重大項目、光電材料與技術國家重點實驗室開放課題、英國工程物理協(xié)會基金重大項目、英國皇家工程院基金重大項目的大力支持。

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