中山大学余思远教授团队推出首例硅基DFB激光器阵列
发布时间：2018-06-08 09:32:09 热度：4173
6/8/2018，中山大学光电材料与技术国家重点实验室余思远教授团队与英国伦敦大学学院(UCL)刘会赟教授团队合作，成功实现了国际上首例硅基外延生长电抽运室温连续工作分布反馈式(DFB)激光器阵列芯片。该芯片将是未来光通信技术的核心芯片，现有类似功能的非硅基芯片在今年的“中兴事件”中被列入禁运清单。该成果将我国的核心光电子集成芯片技术推向国际顶尖水平，对于在激烈的国际高技术竞争背景下打破国际垄断，占领未来技术高地，提升我国自主研发能力，具有特别重要的意义。
近年来在光通信、光互连巨大需求的推动下，硅基光电子集成技术蓬勃发展。但由于硅是间接带隙半导体，发光效率不高，硅基光源这一核心器件成为制约其发展的瓶颈，特别是符合超高速光通信和波分复用要求的单色性好、波长精确可控的硅基激光器一直没有实现。将发光特性优良的III-V族化合物半导体材料直接外延生长到晶格不匹配的硅衬底上，并制作高性能硅基半导体激光器一直被视为实现大规模、低成本、高性能硅基光源和光电集成芯片的关键核心技术途径。
本项研究中，中山大学光电材料与技术国家重点实验室余思远团队依托其近年建设的先进光电子集成工艺平台，采用刘会赟团队的先进硅基外延量子点增益材料，成功制备了硅基直接外延生长的集成多波长分布反馈(DFB)激光器阵列芯片。DFB激光器示意图如图1所示。
1 硅基DFB激光器示意图。(a) 激光器剖面图，展示了外延层结构、光波导结构和输出耦合器;(b) 激光器阵列光学显微镜照片;(c)侧壁布拉格光栅的电子显微镜照片，展示了超高宽深比的一阶光栅。
该芯片实现了电抽运室温连续工作，在1300 nm光通信波段输出6个间隔为20 ± 0.2 nm的精确波长，覆盖了宽达100 nm的波长范围;其波长精度大幅度优于该波段常用的粗波分复用标准，并接近密集波分复用标准要求;阵列中的DFB激光器展现了极高的性能，其阈值电流仅12 mA，边模抑制比高达50 dB;各项性能如图2所示。这些性能指标远远超过了已报道的硅基外延激光器，甚至达到了在晶格匹配衬底上生长的激光器的标准，首次将硅基外延激光器的性能推进到了接近高速光通信实用器件的水平。
图2 硅基DFB激光器阵列在室温连续电抽运下的性能。(a) DFB激光器阵列的光谱图，展示了高达100 nm的波长覆盖范围;(b) 侧壁布拉格光栅的周期和激射波长的关系，展示了精确的波长控制;(c)阈值以下的DFB激光器光谱，展示l/4相移光栅保证单模激射;(d)单个DFB激光器的LIV曲线，展示4倍阈值抽运电流范围内无跳模工作。
本研究突破了数项光电子集成的关键核心技术，包括(1)研发了超高宽深比(>30:1，100 nm的光栅间隙刻蚀深度超过3000 nm)的精确光栅刻蚀技术，实现了一次成型、且光栅周期控制精度达到了0.1 nm的一阶布拉格光栅。(2)采用侧壁光栅结构，在实现极高的工艺稳定性的同时避免了二次外延，极大简化了加工流程。(3)实现了与激光器同时成型的集成抗反射输出耦合器，避免了切片解理和腔面镀膜。上述突破为硅基激光器芯片大规模低成本生产以及硅基波导的进一步集成打下了坚实的基础，并将我国的硅基光子集成技术推向了国际顶尖水平。审稿人评论该工作“在光子集成研究领域将产生强烈反响”。
相关成果以“Monolithic quantum-dot distributed feedback laser array on silicon”为题，发表在美国光学学会(OSA)的旗舰刊物Optica [5,528(2018)]上。中山大学光电材料与技术国家重点实验室为第一作者单位，中山大学研究生王易和UCL皇家工程院研究员陈思铭为共同第一作者，陈思铭为第一通讯作者，共同通讯作者为UCL刘会赟教授和中山大学余思远教授。该工作得到中国国家自然科学基金重大项目、光电材料与技术国家重点实验室开放课题、英国工程物理协会基金重大项目、英国皇家工程院基金重大项目的大力支持。
论文：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-5-528
近年来在光通信、光互连巨大需求的推动下，硅基光电子集成技术蓬勃发展。但由于硅是间接带隙半导体，发光效率不高，硅基光源这一核心器件成为制约其发展的瓶颈，特别是符合超高速光通信和波分复用要求的单色性好、波长精确可控的硅基激光器一直没有实现。将发光特性优良的III-V族化合物半导体材料直接外延生长到晶格不匹配的硅衬底上，并制作高性能硅基半导体激光器一直被视为实现大规模、低成本、高性能硅基光源和光电集成芯片的关键核心技术途径。
本项研究中，中山大学光电材料与技术国家重点实验室余思远团队依托其近年建设的先进光电子集成工艺平台，采用刘会赟团队的先进硅基外延量子点增益材料，成功制备了硅基直接外延生长的集成多波长分布反馈(DFB)激光器阵列芯片。DFB激光器示意图如图1所示。
1 硅基DFB激光器示意图。(a) 激光器剖面图，展示了外延层结构、光波导结构和输出耦合器;(b) 激光器阵列光学显微镜照片;(c)侧壁布拉格光栅的电子显微镜照片，展示了超高宽深比的一阶光栅。
该芯片实现了电抽运室温连续工作，在1300 nm光通信波段输出6个间隔为20 ± 0.2 nm的精确波长，覆盖了宽达100 nm的波长范围;其波长精度大幅度优于该波段常用的粗波分复用标准，并接近密集波分复用标准要求;阵列中的DFB激光器展现了极高的性能，其阈值电流仅12 mA，边模抑制比高达50 dB;各项性能如图2所示。这些性能指标远远超过了已报道的硅基外延激光器，甚至达到了在晶格匹配衬底上生长的激光器的标准，首次将硅基外延激光器的性能推进到了接近高速光通信实用器件的水平。
图2 硅基DFB激光器阵列在室温连续电抽运下的性能。(a) DFB激光器阵列的光谱图，展示了高达100 nm的波长覆盖范围;(b) 侧壁布拉格光栅的周期和激射波长的关系，展示了精确的波长控制;(c)阈值以下的DFB激光器光谱，展示l/4相移光栅保证单模激射;(d)单个DFB激光器的LIV曲线，展示4倍阈值抽运电流范围内无跳模工作。
本研究突破了数项光电子集成的关键核心技术，包括(1)研发了超高宽深比(>30:1，100 nm的光栅间隙刻蚀深度超过3000 nm)的精确光栅刻蚀技术，实现了一次成型、且光栅周期控制精度达到了0.1 nm的一阶布拉格光栅。(2)采用侧壁光栅结构，在实现极高的工艺稳定性的同时避免了二次外延，极大简化了加工流程。(3)实现了与激光器同时成型的集成抗反射输出耦合器，避免了切片解理和腔面镀膜。上述突破为硅基激光器芯片大规模低成本生产以及硅基波导的进一步集成打下了坚实的基础，并将我国的硅基光子集成技术推向了国际顶尖水平。审稿人评论该工作“在光子集成研究领域将产生强烈反响”。
相关成果以“Monolithic quantum-dot distributed feedback laser array on silicon”为题，发表在美国光学学会(OSA)的旗舰刊物Optica [5,528(2018)]上。中山大学光电材料与技术国家重点实验室为第一作者单位，中山大学研究生王易和UCL皇家工程院研究员陈思铭为共同第一作者，陈思铭为第一通讯作者，共同通讯作者为UCL刘会赟教授和中山大学余思远教授。该工作得到中国国家自然科学基金重大项目、光电材料与技术国家重点实验室开放课题、英国工程物理协会基金重大项目、英国皇家工程院基金重大项目的大力支持。
论文：https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-5-528
