直接制造在硅光子芯片上的激光器，相比外部激光源具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，例如更高的可擴(kuò)展性。此外，如果能夠在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體代工廠制造，那么帶有這種“單片”集成激光器的光子芯片將具有商業(yè)可行性。

III-V族半導(dǎo)體激光器可以通過在硅襯底上直接生長激光器材料（如砷化銦）的晶體層，從而實(shí)現(xiàn)與光子芯片的單片集成。然而，由于III-V族半導(dǎo)體材料與硅在結(jié)構(gòu)或特性上的不匹配，制造帶有此類集成激光源的光子芯片具有挑戰(zhàn)性。此外，在制造帶有單片集成激光器的光子芯片時(shí)，“耦合損耗”——即從激光源傳輸?shù)焦庾有酒�中硅波�?dǎo)過程中的光功率損失——是另一個(gè)需要關(guān)注的問題。

在最近發(fā)表于《光波技術(shù)雜志》(Journal of Lightwave Technology) 的一項(xiàng)研究中，來自美國加利福尼亞大學(xué)的Rosalyn Koscica博士及其團(tuán)隊(duì)成功地將砷化銦量子點(diǎn)（QD）激光器單片集成在硅光子小芯片上。

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Koscica博士表示：“光子集成電路（PIC）應(yīng)用需要器件占位面積小的片上光源，以便實(shí)現(xiàn)更密集的元件集成。”

為實(shí)現(xiàn)這種單片集成，作者結(jié)合了三個(gè)關(guān)鍵概念：用于單片集成的“口袋激光器”策略；包含金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）的兩步材料生長方案（以獲得更小的初始間隙尺寸）；以及一種聚合物間隙填充方法（以減少間隙中的光束發(fā)散），從而在硅光子小芯片上開發(fā)出了單片集成的量子點(diǎn)激光器。

在測試中，帶有單片集成激光器的小芯片表現(xiàn)出足夠低的耦合損耗。因此，量子點(diǎn)激光器能夠在小芯片內(nèi)高效地工作在單一O波段波長上。O波段波長是理想的選擇，因?yàn)樗�允許在光子器件內(nèi)以低色散傳輸信號(hào)。通過使用硅制成的環(huán)形諧振腔或氮化硅制成的分布式布拉格反射鏡（DBR），實(shí)現(xiàn)了單頻激光發(fā)射。

Koscica博士表示：“我們的集成量子點(diǎn)激光器在高達(dá)105°C的溫度下仍能實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，在35°C的工作溫度下壽命可達(dá)6.2年。”

這項(xiàng)激光集成技術(shù)有潛力被廣泛采用，原因有二。首先，這種光子芯片可以在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體代工廠制造。其次，量子點(diǎn)激光器集成技術(shù)可以適用于一系列光子集成芯片設(shè)計(jì)，無需進(jìn)行大量或復(fù)雜的修改。

通過修改硅光子組件，所提出的集成技術(shù)可以應(yīng)用于各種光子集成電路設(shè)計(jì)，為實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、高性價(jià)比的片上光源單片集成鋪平了道路。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1109/JLT.2025.3555555