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Jul 21, 2023

Den Weg erhellen: Die Quantensuche nach Superior On

Von Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, 17. Juli 2023 Sie bestehen aus III-V QW/QD DFB-Lasern und SiN-Mikroringresonatoren. Bildnachweis: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric

Von Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, 17. Juli 2023

Sie bestehen aus III-V-QW/QD-DFB-Lasern und SiN-Mikroringresonatoren. Bildnachweis: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers und Yating Wan

In SiN-Mikroresonatoren integrierte Laserdioden auf der Basis von Quantentopf- (QW) und Quantenpunkt- (QD) Halbleitermaterialien weisen aufgrund ihrer hohen Leistungseffizienz und kompakten Größe ein vielversprechendes Potenzial auf. Eine von Professor Yating Wan geleitete Studie untersuchte das Design und die Funktionalität dieser Verbundhohlraumlaser und lieferte wertvolle Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung der Laserdiodentechnologie.

Quantum well (QW) and quantum dot (QD) semiconductor materials-based on-chip laser diodes are now primary candidates in various applications. Their attractive features include high power efficiency, the ability to operate at high temperatures, and compact size. While QWs have been widely implemented in commercial products, QDs, with their unique zero-dimensional density of states and atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atomartige Entartung sind eine vielversprechende Alternative.

Die heterogene Integration von III-V-Lasern mit Siliziumnitrid (SiN)-Mikroresonatoren, die durch Selbstinjektionsverriegelung erleichtert wird, bringt intrinsische Vorteile mit sich. Dazu gehören Kompaktheit, Potenzial für die Großserienproduktion und verbesserte Stabilität. Diese Technologie ermöglicht eine überlegene Leistung bei der Linienbreitenverengung im Vergleich zu III-V-Lasern, die auf nativen Plattformen entwickelt wurden.

a,b Linienbreite FWHM des III-V/SiN-QD-Lasers als Funktion der Injektionsstromdichte für verschiedene QD-Schichten (a) und QD-Dichten (b). c,d Farbkarten der Ausgangsleistung (links) und der Steckdoseneffizienz (rechts) als Funktionen der QD-Schichten (c) und der QD-Dichte (d). Bildnachweis: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers und Yating Wan

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Light Science & Application veröffentlichte Studie befasste sich mit einer parametrischen Untersuchung des Designs des aktiven Mediums von Verbundresonatorlasern. Diese Forschung wurde von Professor Yating Wan vom Integrated Photonics Lab an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi-Arabien, Dr. Weng W. Chow von Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA, Prof. Frédéric Grillot von LTCI, geleitet. Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris, Frankreich, und Prof. John Bowers von der University of California Santa Barbara, USA.

Das Team konzentrierte sich auf die Auswirkungen der Ladungsträgerquantenbeschränkung auf die dynamischen und spektralen Eigenschaften des verriegelten Verbundhohlraumgeräts. Ihr besonderer Schwerpunkt lag auf der Verfeinerung des Emissionsspektrals oder der Verengung der Linienbreite bei der Integration von III-V-QW- oder QD-DFB-Lasern (Distributed Feedback) mit SiN-Mikroringresonatoren. Emad Alkhazraji, der Erstautor der Forschungsarbeit, erläuterte das Prinzip hinter der Verbesserung. „Bei richtiger Abstimmung und Synchronisierung auf einen oder mehrere Flüstergalerie-Modi des Mikrorings kann optisches Feedback in Form von Rayleigh-Rückstreuung eine drastische Reduzierung der Laserlinienbreite einer Laserdiode auf den Hz-Bereich ermöglichen“, erklärte Alkhazraji.

Es zeigt den 4D-Designraum und die optimalen Punkte für jedes Gerät. Bildnachweis: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers und Yating Wan

Die parametrische Untersuchung wurde mit einer multiobjektiven Design-Operation-Optimierungsanalyse von QW- und QD-Geräten über einen genetischen Algorithmus abgeschlossen. Anschließend wurde ein Multientscheidungsalgorithmus eingesetzt, um die optimalen Entwurfsbetriebspunkte für jede Optimierungsvariable zu bestimmen.

„Diese Ergebnisse bieten Orientierung für umfassendere parametrische Studien, die zeitnahe Ergebnisse für das technische Design liefern können“, schloss Professor Yating Wan. Die Studie zeigt das Verbesserungs- und Weiterentwicklungspotenzial im Bereich der Laserdiodentechnologie auf.

Referenz: „Linewidthnarrowing in self-injection-locked on-chip lasers“ von Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers und Yating Wan, 28. Juni 2023, Light Science & Applications.DOI: 10.1038/s41377 -023-01172-9

Finanzierung: Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), das US-Energieministerium, das American Institute for Manufacturing (AIM) Integrated Photonics.