工程师实现量子点激光器在硅基小芯片上的高效集成

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项优势，例如更高的可扩展性。此外，如果能够在标准半导体代工厂制造，那么带有这种“单片”集成激光器的光子芯片将具有商业可行性。

III-V族半导体激光器可以通过在硅衬底上直接生长激光器材料（如砷化铟）的晶体层，从而实现与光子芯片的单片集成。然而，由于III-V族半导体材料与硅在结构或特性上的不匹配，制造带有此类集成激光源的光子芯片具有挑战性。此外，在制造带有单片集成激光器的光子芯片时，“耦合损耗”——即从激光源传输到光子芯片中硅波导过程中的光功率损失——是另一个需要关注的问题。

在最近发表于《光波技术杂志》(Journal of Lightwave Technology) 的一项研究中，来自美国加利福尼亚大学的Rosalyn Koscica博士及其团队成功地将砷化铟量子点（QD）激光器单片集成在硅光子小芯片上。

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Koscica博士表示：“光子集成电路（PIC）应用需要器件占位面积小的片上光源，以便实现更密集的元件集成。”

为实现这种单片集成，作者结合了三个关键概念：用于单片集成的“口袋激光器”策略；包含金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）的两步材料生长方案（以获得更小的初始间隙尺寸）；以及一种聚合物间隙填充方法（以减少间隙中的光束发散），从而在硅光子小芯片上开发出了单片集成的量子点激光器。

在测试中，带有单片集成激光器的小芯片表现出足够低的耦合损耗。因此，量子点激光器能够在小芯片内高效地工作在单一O波段波长上。O波段波长是理想的选择，因为它允许在光子器件内以低色散传输信号。通过使用硅制成的环形谐振腔或氮化硅制成的分布式布拉格反射镜（DBR），实现了单频激光发射。

Koscica博士表示：“我们的集成量子点激光器在高达105°C的温度下仍能实现激光发射，在35°C的工作温度下寿命可达6.2年。”

这项激光集成技术有潜力被广泛采用，原因有二。首先，这种光子芯片可以在标准半导体代工厂制造。其次，量子点激光器集成技术可以适用于一系列光子集成芯片设计，无需进行大量或复杂的修改。

通过修改硅光子组件，所提出的集成技术可以应用于各种光子集成电路设计，为实际应用中实现可扩展、高性价比的片上光源单片集成铺平了道路。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1109/JLT.2025.3555555