亮点 | 首次在多量子阱结构实现DFB激光器与偏振控制器的单片集成
Photonics Research2023年第4期Editors' Pick:
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光子集成电路PIC是一种集成多个不同光子元件(如激光器,调制器,探测器等)在一个微芯片上,从而形成一个功能化的电路。由于具有高效,低功耗等技术优势,PIC在高速大容量光通信系统中具有广泛应用潜力。在PIC中将光的偏振信息维度引入,通过集成不同偏振控制器件对光的偏振状态进行快速控制或调制则进一步增加了通信容量,在超短距离系统、无源光网络、波分复用等领域具有重要应用前景。尽管在基于体材料的偏振控制元件研究中已有较成熟的方案,但是利用非对称光波导实现对体材料与量子阱激光器的集成通常需要复杂的对接生长工艺。近期,英国格拉斯哥大学侯廉平教授团队提出了一种基于AlGaInAs多量子阱外延结构偏振控制器方案,首次在同一有源区外延结构实现了DFB激光器与偏振控制器的单片集成,并实现了98.4%的高偏振转换效率。该方案只需一次金属有机气相外延生长和两个干法蚀刻步骤即可制造该器件,从而显着降低了工艺的成本和复杂性。
——孙皓副研究员,清华大学
对激光偏振的快速控制与调制,在高速大容量光通信系统中具有重要应用价值。例如使用高速复杂数字信号处理与偏振控制系统来操纵光的偏振状态,或者应用于光偏振分复用器对的斯托克斯向量进行调制和检测。对于这些应用,人们越来越关注将偏振控制器与光源、检测器和其他组件集成在光子集成电路(PIC);随着越来越多的器件、例如激光器和电吸收调制器,利用多量子阱结构作为有源区,设计与量子阱兼容的偏振控制器变得越来越有必要。
利用不对称光波导对光的偏振状态进行控制,探索适用的各种材料平台,是近年来偏振控制领域的研究热点。基于体材料的偏振控制器,例如InGaAsP、SOI等平台,已经实现了接近100% 的TE到TM偏振转换效率。但是实现体材料与量子阱器件的集成,往往需要使用复杂的对接生长技术。利用反应离子刻蚀中的滞后效应(RIE-lag effect),基于FP 激光器和偏振控制的单片集成已有报道,但这些器件仅能实现最高80%的转换效率。
近年来,基于AlGaInAs多量子阱材料设计的单波长分布式反馈(DFB)激光器,在超短距离系统、无源光网络、波分复用等领域有广泛应用,并具有发射波长范围广,高温工作能力强,输出功率高等优点。为解决上述问题,英国格拉斯哥大学侯廉平教授带领的光子集成研究团队,提出了一种基于AlGaInAs多量子阱外延结构偏振控制器方案,首次在同一有源区外延结构实现了DFB激光器与偏振控制器的单片集成,并实现了98.4%的高偏振转换效率。相关研究成果发表于Photonics Research2023年第4期。
如图1(a)所示,研究设计并制作了两种结构,第一种为DFB激光器与偏振控制器(PMC)集成,实现激光器输出偏振从TE模式到TM模式的转换。第二种在PMC后集成一个差分相位调制器(DPS),通过对其施加偏压进行相位调制。DFB的布拉格波长设计在1550 nm,实测在1555 nm波长实现稳定单模输出。
图1(b)展示的是利用电子束光刻和感应耦合等离子体刻蚀技术制作器件的电镜图像。对于DFB-PMC 器件,在140-190 mA的注入电流范围下实现了平均-96.8% 的S1输出,对应98.4%的TE-TM转换效率,如图1(c)所示。对于DFB-PMC-DPS 器件,保持DFB的注入电流在170 mA并对DPS施加0 V到-3 V的偏置电压,能够实现输出光的斯托克斯向量(S参数)围绕S2-S3平面60度旋转,如图1(d)所示。
图1(a)DFB-PMC(左)和DFB-PMC-DPS(右)器件结构示意图;(b)器件的电镜结构;(c)DFB-PMC器件输出S参数随DFB注入电流的变化;(d)DFB-PMC-DPS器件输出S参数随DPS偏置电压的变化
侯廉平教授表示:“集成式的光波导偏振控制器,通过采用同一有源区结构,实现与光源的单片集成,对于开发偏振调制的高速大容量光通信系统有重要意义。该方案通过优化基于AlGaInAs多量子阱外延结构,降低了多量子阱双折射对偏振转换的影响,实现了极高的偏振转换效率。此外,该方案只需一次金属有机气相外延生长和两个干法蚀刻步骤即可制造该器件,从而显着降低了工艺的成本和复杂性。另外高速(>1 Gb)偏振成像是材料表征(特别是生物医学研究和临床应用)和活细胞和生物过程的动态观察方面是一个引人注目的应用。”
后续团队将着力利用量子阱混杂技术、解决多量子阱结构下在光致发光波长附近激子吸收带来的较高内部损耗这一技术难题,进一步提升系统的输出功率。
作者简介
侯廉平
格拉斯哥大学
主要研究方向:半导体激光器和光子集成
侯廉平,格拉斯哥大学教授,光子集成实验室负责人。英国皇家艺术学会会士(FRSA), 英国高等教育学院会士(FHEA),IEEE高级会员(Senior member),国际学术期刊Electronics Letters副主编,American Journal of Modern Physics和Photonics编委。从事半导体激光器、光子集成、纳米技术、太赫兹技术和生物传感器方面的研究。发表了190 多篇学术论文,多个国际顶级期刊的审稿人。从 2016 年起,他作为PI 和co-PI,获得了超过1000万英镑的研究资助。
JohnH. Marsh
格拉斯哥大学
主要研究方向:悬浮光力精密测量
John H. Marsh,格拉斯哥大学教授,詹姆斯瓦特纳米加工中心(James Watt Nanofabrication Centre)主任。从事半导体激光器、光子集成、锁模激光器、以及高功率激光阵列产品的开发和制造。他是英国皇家工程院、爱丁堡皇家学会、Optica、IET、物理学会、皇家艺术学会的会士。他于2000年共同创立了Intense有限公司。他与Catrina Bryce教授因“对光子设备的量子井混杂的广泛开发和商业化”一起获得了2006年IEEE/LEOS工程成就奖。他还被授予2006年IEEE/LEOS杰出服务奖,以表彰他 “对LEOS管理的重大贡献以及在促进LEOS作为一个全球社会的发展方面的领导能力”。他在2008年和2009年担任IEEE光子学会的主席。
孙啸
格拉斯哥大学
主要研究方向:光子集成电路,III-V族半导体激光器
孙啸,2016本科毕业于电子科技大学电子信息工程专业,现博士就读于英国格拉斯哥大学。他主要从事III-V族半导体激光器及光子集成电路方面的研究。对外延层设计,器件模拟及加工工艺有理论基础和实践经验。相关研究成果发表期刊论文9篇和会议文章8 篇。
科学编辑| 格拉斯哥大学 孙啸
编辑| 木拉提·满苏尔
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