On-chip single-mode CdS nanotrådlaser

I de seneste år, øget opmærksomhed er blevet lagt på integrationen af ​​aktive nanotråde med on-chip plane bølgeledere til on-chip lyskilder. Mod dette mål, forskere i Kina demonstrerede en meget kompakt on-chip single-mode cadmiumsulfid (CdS) nanotrådlaser, ved at integrere en fritstående CdS-nanotråd på en fotonisk chip af siliciumnitrid (SiN). On-chip integrationsordningen vil tilbyde nye muligheder for både nanotråds fotoniske enheder og on-chip lyskilder.

I det sidste årti, on-chip nanofotonik har tiltrukket sig stigende opmærksomhed for realiseringen af ​​integrerede fotoniske kredsløb med hurtigere drift, bredere båndbredde, lavere strømforbrug og højere kompakthed. Mens en række nanofotoniske enheder og kredsløb på chip er blevet fremstillet med succes ved hjælp af en komplementær metaloxid-halvleder (CMOS) -kompatibel teknik, on-chip lyskilder forbliver udfordrende. På den anden side, bund-op vokset halvleder nanotråde har længe været brugt til nanoskala bølgelederlasere. I de seneste år, øget opmærksomhed er blevet lagt på integrationen af ​​aktive nanotråde med on-chip plane bølgeledere til on-chip lyskilder. Imidlertid, på grund af den store uoverensstemmelse i fremstillingsteknikker, brydningsindeks og geometrisk kompatibilitet mellem en fritstående nanotråd og en plan bølgeleder på chip, en række spørgsmål, herunder en relativt lav koblingseffektivitet, ineffektiv tilstandsvalg og lav reproduktivitet, mangler at blive behandlet.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , forskere fra State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang Universitet, Kina demonstrerede en on-chip single-mode CdS nanotrådlaser med høj koblingseffektivitet. Valg af mode realiseres ved hjælp af en Mach-Zehnder interferometer (MZI) struktur. Når pumpeintensiteten overstiger lasertærsklen på 4,9 kW/cm ² , on-chip single-mode lasing ved cirka 518,9 nm opnås med en linewidth på 0,1 nm og et side-mode undertrykkelsesforhold på 20 (13 dB). Output fra nanotrådlaseren kanaliseres ind i en on-chip SiN-bølgeleder med høj effektivitet (op til 58%) ved evanescent kobling, og det retningsbestemte koblingsforhold mellem de to udgangsporte kan varieres fra 90% til 10% ved foruddesign af koblingslængden af ​​SiN -bølgelederen. Fordel ved den store mangfoldighed af de tilgængelige nanotrådsmaterialer og høj fleksibilitet til bandgap -teknik, on-chip integrationsordningen, der er vist her, kan let udvides til at realisere on-chip nanolasere fra de ultraviolette til nær-infrarøde områder, som kan tilbyde nye muligheder for både halvleder nanotråde og on-chip fotoniske enheder.

Disse forskere opsummerer laserens fremstilling og operationelle princip:"Vi bruger mikromanipulation under et optisk mikroskop til at integrere et CdS -nanotråd på en SiN -chip og danne en hybrid MZI -struktur med fremragende reproducerbarhed. Ved at bruge MZI til valg af mode, vi betjener laseren i single mode. Vi kan også ændre udgangsforholdene mellem de to porte i lasemodellen MZI ved at bruge forskellige koblingslængder af bølgelederbøjningerne. "

"Den samlede størrelse af hybrid MZI-strukturen holdes under 100 μm. Fiber-til-chip-gitterkoblinger er designet i begge ender af SiN-bølgelederen, som kobler lasersignalet fra on-chip SiN-bølgelederen til standard optiske fibre til optisk karakterisering. "

"Ved at sammenligne laserudgangsintensiteterne fra nanotrådenden og gitterområdet, vi anslår, at den fraktionerede effekt kanaliseret ind i SiN -bølgelederen er cirka 58%, meget højere end tidligere resultater opnået i chipintegrerede nanotrådlasere, og kan forbedres yderligere ved at optimere koblingseffektiviteten mellem nanotråden og SiN -bølgelederen, "tilføjede de.

"Fordel ved den store mangfoldighed af de tilgængelige nanotrådsmaterialer og høj fleksibilitet til bandgap -teknik, on-chip integrationsordningen, der er vist her, kan let udvides til at realisere on-chip nanolasere fra de ultraviolette til nær-infrarøde områder, og on-chip single-mode nanotrådlaseren kan således tilbyde en mulighed for at udvikle fysiske og biokemiske optiske sensorer på chip med højere stabilitet og kompakthed, "forudsiger forskerne.