DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08364-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39743604
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Yannick De Koninck وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأجهزة الضوئية والفوتونية
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج من قياسات مستوى الرقاقة ومستوى الرقاقة من الليزر الرنان الهيكلي (NRLs) المصنوع من GaAs. تشير قياسات مستوى الرقاقة إلى تشغيل الليزر بنجاح، مع تيار عتبة ($I_{th}$) منخفض يصل إلى 4.5 مللي أمبير وأقصى قدرة إخراج تبلغ 0.7 مللي واط عند تيار انحياز قدره 20 مللي أمبير لجهاز بطول تجويف يبلغ 1.16 مم. تكشف الأطياف البصرية عن انبعاث ليزر أحادي الوضع حول 1,023 نانومتر، مع عرض خط ملحوظ قدره 46 ميغاهيرتز ونسبة كبح الوضع الجانبي (SMSR) تتجاوز 30 ديسيبل، مما يؤكد سلوك الليزر للجهاز.
تظهر نتائج مستوى الرقاقة ليزر NRL بطول 2 مم مع تيار عتبة قدره 7.5 مللي أمبير وأقصى تيار ضوئي قدره 71.5 ميكروأمبير، مما يؤدي إلى تقدير إجمالي للقدرة المنبعثة قدره 1.76 مللي واط وكفاءة توصيل تبلغ 1.33%. أظهرت اختبارات الإجهاد لهذا الليزر استقرارًا تشغيليًا على مدى 500 ساعة، مع زيادة طفيفة في $I_{th}$ من 6.1 إلى 7.3 مللي أمبير، مع الحفاظ على كفاءة ميل ثابتة. أشارت اختبارات الاعتماد على درجة الحرارة إلى تشغيل أحادي الوضع حتى 55 درجة مئوية، مع ارتفاع $I_{th}$ إلى 30 مللي أمبير عند هذه الدرجة. كشفت قياسات كاملة على مستوى الرقاقة لأكثر من 300 NRL عن قيم متوسطة لـ $I_{th}$ تبلغ 5.9 و8.1 و9.3 مللي أمبير لأشعة الليزر بطول 1 مم و1.5 مم و2 مم على التوالي، مع كفاءات ميل متوسطة مقابلة تبلغ 8.3 و6.1 و4.9 ميكروأمبير/مللي أمبير. تتماشى هذه النتائج بشكل جيد مع التوقعات النظرية، على الرغم من أن التباين في مقاييس الأداء عبر الرقاقة يشير إلى الحاجة إلى مزيد من التحسين.
المناقشة
تناقش الدراسة التكامل الناجح لمصادر الليزر أحادية الكتلة من النوع III-V على رقائق السيليكون بحجم 300 مم باستخدام خط تصنيع CMOS، مما يلغي الحاجة إلى الركائز من النوع III-V أو خطوات الربط. تستخدم عملية التصنيع تقنية الإيبيتاكسي غير المسترخية (NRE) لإنشاء هياكل نانوية من GaAs، والتي تتميز بكثافة منخفضة من العيوب الخيطية (TDD) تقل عن $6 \times 10^4 \, \text{cm}^{-2}$. تعتبر هذه العيوب المنخفضة ضرورية لتحقيق تشغيل ليزر مستمر قوي عند درجة حرارة الغرفة، مع كثافات تيار عتبة تقل عن $1 \, \text{kA/cm}^2$ وقدرات تشغيل تصل إلى 55 درجة مئوية. يقوم التصميم بتحسين المسافة بين مقابس الاتصال من التنجستن (W) لتقليل الفقد البصري، مما يمكّن من تشغيل فعال من خلال تأثير تداخل متعدد الأوضاع يقلل من الشدة تحت الملامسات.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أهمية عامل الاحتجاز البصري، الذي يصل إلى 8%، مما يسهل تعويض الكسب بشكل فعال ضد الفقد البصري. تشير النتائج إلى أن الهياكل النانوية المصممة يمكن أن تحقق تشغيل ليزر أحادي الوضع مع عرض خطوط مشابهة لتلك الخاصة بالليزر السطحي التقليدي. تهدف الأعمال المستقبلية إلى تعزيز موثوقية هذه الأجهزة، ومعالجة التحديات التي تطرحها العيوب الخيطية، واستكشاف مزيد من التكامل مع موجّهات السيليكون والسيليكون النيتريد لتطبيقات ضوئية متقدمة. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في مجال الفوتونيات المتكاملة، مما يمهد الطريق لحلول فعالة من حيث التكلفة في الاتصالات البصرية وتقنيات الاستشعار.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08364-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39743604
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Yannick De Koninck et al.
Primary Topic: Photonic and Optical Devices
Results
The results section presents findings from die-level and wafer-level measurements of GaAs nanostructured resonant lasers (NRLs). Die-level measurements indicate successful laser operation, with a threshold current ($I_{th}$) as low as 4.5 mA and a maximum output power of 0.7 mW at a bias current of 20 mA for a device with a cavity length of 1.16 mm. The optical spectra reveal single-mode laser emission around 1,023 nm, with an observed linewidth of 46 MHz and a side-mode suppression ratio (SMSR) exceeding 30 dB, confirming the device’s lasing behavior.
Wafer-level results show a 2-mm-long NRL with a threshold current of 7.5 mA and a maximum photocurrent of 71.5 μA, leading to an estimated total emitted power of 1.76 mW and a wall-plug efficiency of 1.33%. Stress testing of this laser demonstrated operational stability over 500 hours, with a slight increase in $I_{th}$ from 6.1 to 7.3 mA, while maintaining constant slope efficiency. Temperature dependence tests indicated single-mode operation up to 55 °C, with $I_{th}$ rising to 30 mA at this temperature. Full wafer-scale measurements of over 300 NRLs revealed mean $I_{th}$ values of 5.9, 8.1, and 9.3 mA for lasers of lengths 1 mm, 1.5 mm, and 2 mm, respectively, with corresponding mean slope efficiencies of 8.3, 6.1, and 4.9 μA/mA. These results align well with theoretical predictions, although variability in performance metrics across the wafer suggests further optimization is needed.
Discussion
The research discusses the successful integration of monolithic III-V laser diodes on 300-mm silicon wafers using a CMOS manufacturing pilot line, eliminating the need for III-V substrates or bonding steps. The fabrication process employs non-relaxed epitaxy (NRE) to create high-quality GaAs nanorod (NR) structures, which feature a low threading dislocation density (TDD) of below $6 \times 10^4 \, \text{cm}^{-2}$. This low defectivity is crucial for achieving robust continuous-wave laser operation at room temperature, with threshold current densities below $1 \, \text{kA/cm}^2$ and operational capabilities up to 55 °C. The design optimizes the pitch of tungsten (W) contact plugs to minimize optical losses, enabling efficient lasing through a multimode beating effect that reduces intensity beneath the contacts.
The study also highlights the importance of the optical confinement factor, which reaches up to 8%, facilitating effective gain compensation against optical losses. The findings indicate that the engineered NR structures can achieve single-mode laser operation with linewidths comparable to traditional vertical-cavity surface-emitting lasers. Future work aims to enhance the reliability of these devices, address the challenges posed by threading dislocations, and explore further integration with silicon and silicon nitride waveguides for advanced photonic applications. Overall, this research presents a significant advancement in the field of integrated photonics, paving the way for cost-effective solutions in optical interconnects and sensing technologies.