電信波段多波長垂直發(fā)射量子阱納米線激光器陣列

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
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半導(dǎo)體納米線作為緊湊、低閾值的納米級(jí)激光器，在光互連、醫(yī)療診斷和超分辨率成像等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。特別是電信波段納米線激光器作為光電子集成芯片上的相干光源，正推動(dòng)著光通信和光計(jì)算領(lǐng)域的創(chuàng)新。
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3 {9 _* S+ m0 p9 ?# d實(shí)現(xiàn)高性能電信波段納米線激光器，需要關(guān)注高效增益介質(zhì)、最佳增益范圍和有效的光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)。這就需要外延生長具有光滑側(cè)壁、可控尺寸和精確晶體成分的高質(zhì)量納米線。具有徑向多量子阱(MQWs)的核殼納米線由于其大面積有源區(qū)、可調(diào)帶隙能量和量子限制效應(yīng)，成為非常有吸引力的候選對(duì)象[1]。

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創(chuàng)新的生長方法
! ~" D# d1 h1 D) _/ [然而，外延生長同時(shí)具有良好結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能以及均勻形貌的MQW結(jié)構(gòu)一直是重大挑戰(zhàn)。以往的生長方法常常導(dǎo)致錐形、不均勻的形貌或缺陷，降低了光學(xué)性能。
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圖1：MQW納米線陣列的結(jié)構(gòu)和光學(xué)表征。該圖展示了納米線陣列的生長過程、掃描電鏡圖像、透射電鏡分析和光致發(fā)光映射。

( b% N5 l- L) W在這項(xiàng)研究中，研究人員通過選擇性區(qū)域外延(SAE)引入了創(chuàng)新的多步面工程方法，用于纖鋅礦(WZ)基InGaAs/InP MQW納米線的生長。這種方法實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、均勻的納米線陣列生長，可精確控制尺寸，形成垂直法布里-珀羅諧振腔，并在室溫下實(shí)現(xiàn)跨電信波段的激光發(fā)射。

生長過程與結(jié)構(gòu)表征
2 \' T1 h5 ]  n* Z, ?生長過程包括三個(gè)關(guān)鍵步驟：

在高溫和低V/III比條件下生長WZ InP納米線核心到所需長度。

將生長條件改變?yōu)榈蜏睾透遃/III比，促進(jìn)橫向InP殼層生長，使納米線側(cè)壁從{1-100}轉(zhuǎn)變?yōu)閧11-20}取向。

在經(jīng)過面工程的核殼結(jié)構(gòu)上生長InGaAs/InP MQWs，保持六邊形形狀和光滑形貌。
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這種方法生長的納米線具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，形成高Q因子的垂直法布里-珀羅諧振腔，實(shí)現(xiàn)MQW在垂直方向上的激光發(fā)射。
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2 y. @6 t1 v& r+ b使用掃描透射電子顯微鏡(STEM)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)表征揭示了交替排列的六邊形量子阱和勢(shì)壘的同軸對(duì)稱排列。能量色散X射線光譜(EDX)確認(rèn)了InGaAs量子阱的存在，平均組成為In0.85Ga0.15As0.4P0.6。

; \9 |/ ?1 z3 o光學(xué)特性與激光表征
光學(xué)表征顯示了覆蓋1.1-1.9μm波長范圍的強(qiáng)烈寬帶發(fā)射，載流子壽命短(約0.25ns)，表明由于量子限制效應(yīng)增強(qiáng)了載流子復(fù)合。
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% l* u7 F/ S5 o. L3 f圖2：單個(gè)基底上納米線的激光特性表征。該圖顯示了發(fā)射光譜、強(qiáng)度圖和時(shí)間分辨測(cè)量，展示了激光行為。

通過對(duì)單個(gè)基底上納米線的光學(xué)泵浦評(píng)估了激光特性。在低泵浦通量下，觀察到來自InP和InGaAs量子阱的寬帶光致發(fā)光。隨著泵浦通量增加，出現(xiàn)并迅速增強(qiáng)了一個(gè)窄峰，展示了從自發(fā)輻射到放大自發(fā)輻射，最后到受激輻射的轉(zhuǎn)變過程。

在5K溫度下實(shí)現(xiàn)了閾值為2.7μJ cm-2每脈沖的單模激光。時(shí)間分辨測(cè)量顯示，在激光閾值以上，分辨率受限的受激輻射壽命約為35ps，證實(shí)了受激輻射的主導(dǎo)地位。
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模式分析與模擬
為了理解激光模式，進(jìn)行了有限差分時(shí)域(FDTD)模擬，分析了不同納米線直徑的閾值增益。結(jié)果結(jié)合偏振依賴測(cè)量表明，激光模式對(duì)應(yīng)于EH11a/b橫向模式。


圖3：通過3D FDTD模擬進(jìn)行模式識(shí)別。該圖顯示了不同激光模式的計(jì)算反射率、限制因子、閾值增益和偏振依賴性。
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電信波段激光性能
$ t3 M" [' }# F1 `. n為了將激光波長延伸到重要的電信波段，研究人員生長了具有不同銦組分量子阱的InGaAs/InP MQW納米線陣列。這實(shí)現(xiàn)了中心波長為1532nm的室溫激光，閾值功率低至約28.2μJ cm-2每脈沖。
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圖4：電信波段激光特性表征。該圖展示了激光光譜、溫度依賴性以及陣列中多個(gè)納米線的同時(shí)激光發(fā)射。
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通過調(diào)節(jié)銦組分，激光波長可以在電信O波段到C波段(1356至1542nm)范圍內(nèi)調(diào)諧。獲得了128K的高特征溫度，表明溫度穩(wěn)定性良好。

重要的是，展示了同一陣列中多個(gè)納米線的同時(shí)激光發(fā)射。這種集體激光現(xiàn)象為生產(chǎn)大規(guī)模、高密度納米激光源用于集成光電子應(yīng)用提供了巨大潛力。
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; [4 K# R! d: X4 f5 \2 [結(jié)論與展望
( h, _* U5 K* l9 i. ]6 U2 C. H這種納米線激光器陣列方法的主要優(yōu)勢(shì)包括：
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垂直發(fā)射方向，便于與片上波導(dǎo)耦合或平面外收集。

低激光閾值和高特征溫度，允許在室溫下高效運(yùn)行。

跨電信波段的波長可調(diào)性，滿足各種光通信應(yīng)用需求。

有序陣列中大量納米線的均勻激光發(fā)射，展示了用于集成光電子線路的可擴(kuò)展性。

這項(xiàng)工作在電信應(yīng)用納米級(jí)激光器領(lǐng)域取得了進(jìn)展。精心設(shè)計(jì)的多步生長策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米線形貌、組成和光學(xué)性能的精確控制。所得到的垂直發(fā)射納米線激光器陣列為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、片上先進(jìn)光電子和光電子集成芯片提供了良好基礎(chǔ)。
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3 w/ t" ?! U! Y9 R4 y未來的研究可能會(huì)集中在這些納米線激光器的電注入、進(jìn)一步提高大型陣列中激光納米線的均勻性和產(chǎn)率，以及將這些激光源與其他片上光電子器件集成。
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參考文獻(xiàn)
' ~, Q: y- ?6 F! Z[1] X. Zhang et al., "Telecom-band multiwavelength vertical emitting quantum well nanowire laser arrays," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 230, 2024.
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