近日,香港中文大学(深圳)理工学院张昭宇教授课题组在硅基光芯片领域取得重要研究进展,首次实现了可与微电子单片集成的硅基三五族微纳光子晶体激光器。相关成果以“Continuous-wave quantum dot photonic crystal lasers grown on on-axis Si (001)”为题发表在《Nature Communications》上。

图1. 硅基量子点光子晶体激光器示意图

        近年来在光通信、光互连巨大需求的推动下,硅基光电子集成技术蓬勃发展。激光器是光芯片的核心部件,其调制速率、集成密度、功耗等直接决定硅光芯片的性能及发展。基于硅材料的光电元件,如硅波导、硅调制器、硅探测器等已比较成熟,但硅基激光器一直没有很大进展。究其原因,硅是间接带隙半导体,不适合作为激光器的发光材料。而诸如GaN、GaAs、InP等的传统三五族材料为直接带隙半导体,是目前最有效的半导体激光器发光材料。因此,近20年,国际上包括来自法国国家科学研究中心(CNRS)、美国因特尔(Intel)和加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)、日本电报电话电话(NTT)、香港科技大学(HKUST)在内的多个科研团队投入大量的财力物力,尝试在硅上直接生长三五族材料,其目标是在硅基三五族上制成激光器并最终与CMOS工艺对接,实现光电子与微电子的大规模单片集成,从而大大提升光通信器件的功能,同时减低成本。以上各团队已分别实现了不同硅衬底上的大尺度激光器,但是在CMOS工艺兼容的(001)硅衬底上还未实现过微纳光子晶体激光器,而光子晶体结构被认为是未来光集成的一种重要组成结构。

        香港中文大学(深圳)理工学院张昭宇教授课题组与合作团队通过设计硅基量子点光子晶体激光器外延结构,采用分子束外延方式在硅衬底上直接生长高质量的InAs量子点作为激光器增益介质(发光材料),依托深圳市半导体激光器重点实验室平台,成功制备了亚波长尺寸的超低阈值硅基光泵浦光子晶体激光器芯片。该激光器实现了室温连续光泵浦激射,并在1310 nm光通讯波段实现单模输出(如图2所示),在实现光电子与微电子的大规模单片集成上向前推进一大步。

 

图2. 硅基量子点激光器器件表征图

 

        这是张昭宇教授课题组在硅基光芯片研究领域,继2019年首个室温连续光泵浦低阈值硅基盘形激光器后,取得的又一个重要研究成果。此成果第一作者是香港中文大学(深圳)理工学院2016级博士研究生周陶杰,University College London(UCL)的唐明初博士为共同第一作者,香港中文大学(深圳)为第一作者单位,张昭宇教授、UCL的刘会赟教授和陈思铭教授为共同通讯作者。来自法国University Grenoble Alpes的Thierry Baron教授也参与此工作。

        香港中文大学(深圳)成立于2014年,实验室的硬件建设也经历过“万事开头难”的阶段,在从零开始发展的过程中,张昭宇教授课题组得到了学界同行的大力支持。为此,张昭宇教授特别提到,“这些支持包括南方科技大学微纳加工平台的程鑫教授和瞿学选老师在器件制备上的帮助,中国科学院半导体研究所孙宝权教授和中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷教授在光谱表征方面的大力协助。”

 

第一作者介绍

        周陶杰,本科毕业于南开大学物理学院伯苓班,现于香港中文大学(深圳)理工学院攻读博士学位,在张昭宇教授课题组从事半导体微纳激光器研究。相关研究成果在Nature communications、Optica、Optics Express、Applied Physics Letters、AIP Advances等期刊均有发表。

 

张昭宇教授及课题组介绍

        张昭宇教授, 2007年获加州理工学院电子工程博士学位,毕业后在加州大学伯克利分校化学系从事博士后研究,同时受聘于劳伦斯伯克利国家实验室。2015年,他入职香港中文大学(深圳)成立纳米光电子实验室“Nano OptoElectronics Lab (NOEL)”。2016年,张昭宇教授作为负责人获得深圳半导体激光器重点实验室项目支持并任实验室主任。他主要的工作成绩包括:制成第一个红光光子晶体激光器、第一个尺寸小于一微米的激光器、第一个微流控染料激光器、第一个光泵浦可单片集成硅基光子晶体激光器等。在Nature Communications, Advanced Materials, Physics Review Letters, Optica, Photonics research, Optics Letters, Applied Physics Letters等国际刊物发表多篇文章。

        纳米光电子实验室着眼于5-10年可产业化的应用基础研究,培养未来产业的核心技术人才。课题组的科研方向主要为面向未来光通信和激光人脸识别的微纳激光器件及光电集成,面向未来显示和照明的有机/无机光电器件及集成。课题组光电器件加工与测试分析等设备已初具规模,包括电感耦合等离子体刻蚀机、蒸镀机、飞秒激光器、皮秒激光器、纳秒激光器、条纹相机、低温冷台、各波段光谱仪、半导体参数分析仪、积分球等。

        详细介绍请查看课题组主页:https://mypage.cuhk.edu.cn/academics/noel/