研究人员声称首次演示了在具有对接耦合硅 (Si) 波导 (WG) 的沟槽绝缘体上硅 (SOI) 模板上外延生长的砷化铟 (InAs) 量子点激光器。[Wen-Qi Wei 等。光：科学与应用，v12，p84，2023]。

　　上海交通大学物理研究所、松山湖材料实验室和中国科学院大学的团队评论说：“我们的研究结果表明，III-V 族激光器与硅光子元件的单片集成将不再是一种设计——水平假设。”

　　激光结构与低成本硅光子学的有效集成对于片上光互连和通信的广泛高级应用以及集成光学测距，用于人工智能、超大规模数据中心的系统部署、高性能计算、光探测和测距 (LIDAR) 和微波光子学。

　　SOI 晶圆由 220nm 硅和 3μm 掩埋二氧化硅 (SiO 2 ) 组成。用一系列带有叉形耦合的硅波导对晶圆进行图案化，以改善激光器和波导之间的光能传输。这些结构覆盖有 3μm 等离子增强化学气相沉积 (PECVD) SiO 2顶部覆层。然后，一系列 16mmx16mm 的激光沟槽被蚀刻到具有 16% 填充因子的衬底硅。激光器的底部也带有光栅图案。

　　激光结构本身是使用双室固体源分子束外延 (MBE) 系统生长的（图 1），以实现硅（元素周期表的第 IV 族）和 III-V 材料的受控生长。

　　硅生长产生了具有 (111) 晶面的 V 形槽结构，在其上可以生长铝砷化镓 (AlGaAs) III-V 材料（图 2），避免反相畴 (APD)、螺纹位错等缺陷（ TDDs）和热失配引起的热裂纹。通过包括量子阱位错过滤器 (DLF) 和超晶格 (SL) 层，在缓冲层生长中应用了减少缺陷影响的进一步措施。

　　在 MBE 生长过程之后，激光沟槽外的多晶残留物通过湿法蚀刻被去除，以实现精确的激光-波导对准。多晶硅去除还部分蚀刻了激光输出面，其形成是通过聚焦离子束 (FIB) 铣削分两步完成的，以提供非常光滑的表面。刻面和波导之间的耦合间隙约为 5μm。

　　背面是通过晶圆切割和应用 95% 高反射 (HR) 涂层形成的，该涂层由 8 对 145nm/228nm SiO 2 /五氧化二铌 (Nb 2 O 5 ) 层组成。

　　该结构的光致发光实验给出了半峰全宽 (FWHM) 为 33nm 的 O 波段发射峰。研究人员报告说，在砷化镓 (GaAs) 衬底上生长的类似结构具有令人惊讶的更宽的 42nm FWHM。峰值强度“几乎相同”。沟槽模板和 GaAs 衬底的峰值波长分别为 1293nm 和 1278nm。与 GaAs 衬底上的结构相比，七个 InAs 量子点层活性发光区域的生长温度低 20°C，导致波长更长。

　　该材料被制成 3mmx3μm 脊形激光器。通过切割前后刻面形成的参考器件实现了高达 95°C 的连续波 (CW) 激光（图 3）。室温下，阈值电流为50mA，250mA时最大输出功率为37mW。斜率效率为 0.148W/A。

　　耦合到硅波导的激光器具有 65mA 的更高 CW 阈值电流，最高工作温度降至 85°C。20°C 斜率效率为 0.025W/A。

　　研究人员评论说：“相对较高的阈值电流和较低的最高工作温度归因于激光沟槽内部和周围 BOX 层的热积累增加。”

　　不使用 FIB 铣削抛光输出面的一个影响是将阈值增加到 92mA。此外，通过硅波导的输出耦合光功率在 210mA 时降低至 5.3mW，而 FIB 研磨激光器在相同注入时为 6.8mW。

　　耦合到波导的激光的总插入损耗估计为 -7.35dB，包括来自两个 90° 弯曲的 0.3dB，以及来自波导 814μm 长度衰减的 0.62dB。对于脉冲模式操作，损耗为 –7.6dB。

　　参考器件阈值电流 (T 0 )增加的特征温度在 20–40°C 范围内为 282K，在 45–95°C 范围内为 51K。与波导耦合后，T 0在 20–65°C 和 70–85°C 下分别降至 108K 和 34K。