量子點(diǎn)激光器在硅基集成推進(jìn)新一代通信技術(shù)的光電子集成

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
自1962年半導(dǎo)體激光器發(fā)明以來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在光通信和消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)——2022年達(dá)到4.8澤字節(jié)(ZB)，年增長(zhǎng)率25%——開(kāi)發(fā)更高能效的光通信系統(tǒng)變得極為迫切。這對(duì)數(shù)據(jù)中心尤其重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心目前消耗了全球約2%的電力。將量子點(diǎn)激光器與硅基光電子技術(shù)相結(jié)合，為解決這些挑戰(zhàn)提供了有效方案，同時(shí)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興應(yīng)用創(chuàng)造了新機(jī)遇[1]。
& j- h8 J, Y/ I# n
硅基優(yōu)勢(shì)
硅長(zhǎng)期以來(lái)作為微電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料，在光電子集成方面具有多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)二十多年發(fā)展的成熟硅基光電子平臺(tái)，充分利用了現(xiàn)有的CMOS制造基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)提供了優(yōu)異的光學(xué)特性。這些特性包括高折射率對(duì)比度，可實(shí)現(xiàn)低損耗波導(dǎo)和高效光柵耦合器。硅與摻雜技術(shù)的兼容性使高速調(diào)制器成為現(xiàn)實(shí)，而與鍺的結(jié)合則實(shí)現(xiàn)了高效光電探測(cè)器。更重要的是，硅基光電子技術(shù)通過(guò)300毫米晶圓加工提供了大規(guī)模制造能力。

圖1：量子點(diǎn)激光器在硅基上的詳細(xì)制造工藝流程，展示了從初始襯底準(zhǔn)備到最終器件完成的關(guān)鍵步驟。
" f" z" o- ^. y
& j$ T. S9 [" l8 y& K% H量子點(diǎn)技術(shù)突破
半導(dǎo)體激光器的發(fā)展經(jīng)歷了多次重大進(jìn)步，從基本的同質(zhì)結(jié)器件發(fā)展到復(fù)雜的量子阱結(jié)構(gòu)。量子點(diǎn)代表了這一進(jìn)程中的最新突破。這些納米尺度結(jié)構(gòu)（通常為數(shù)十納米）在三個(gè)維度上限制載流子，形成所謂的"零維"結(jié)構(gòu)。通過(guò)在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)InAs的自組裝過(guò)程可以形成這些結(jié)構(gòu)。

8 f: I4 K3 {* D  l' s4 a1982年，東京大學(xué)的荒川泰彥首次提出量子點(diǎn)概念，預(yù)言與量子阱激光器相比，量子點(diǎn)激光器具有更低的閾值電流和更好的溫度穩(wěn)定性。量子點(diǎn)中的離散能態(tài)創(chuàng)造了近乎對(duì)稱(chēng)的增益譜和較小的線寬增強(qiáng)因子，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需光隔離器的窄線寬運(yùn)行。這些特性使量子點(diǎn)特別適合與硅基光電子技術(shù)集成。

6 @1 }+ v" O8 W圖2：量子點(diǎn)激光器性能的綜合表征，顯示了(a)封裝器件，(b)不同腔長(zhǎng)的頻率噪聲譜，(c)耦合腔設(shè)計(jì)，以及(d,e)展示超窄線寬運(yùn)行的噪聲測(cè)量結(jié)果。

% b6 {, c- A8 s. T4 A/ S7 I! O集成工藝與結(jié)果
5 g  |& `( g( e  G+ i# q% j4 N量子點(diǎn)激光器在硅基上的異質(zhì)集成涉及精確的工藝優(yōu)化。我們?cè)诎⒉范爬瓏?guó)王科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種使用500納米厚硅層的硅絕緣體(SOI)襯底的方法，與標(biāo)準(zhǔn)220納米平臺(tái)相比，提供了硅和量子點(diǎn)區(qū)域之間更好的模式重疊。

1 H# f* C" d7 g, x制造工藝始于對(duì)SOI晶圓進(jìn)行三種不同深度的刻蝕：條形波導(dǎo)500納米，肋形波導(dǎo)231納米，光柵結(jié)構(gòu)20納米。然后將含有量子點(diǎn)有源區(qū)的GaAs晶圓鍵合到這個(gè)圖形化表面上，隨后進(jìn)行襯底移除和后續(xù)加工步驟，最終形成激光器結(jié)構(gòu)。
: E: z2 f( Q( C" H/ O, S4 P. C
量子點(diǎn)有源區(qū)與硅波導(dǎo)之間的光耦合通過(guò)近場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的錐形結(jié)構(gòu)優(yōu)化了III-V族材料和硅之間的過(guò)渡。最終器件展示了令人印象深刻的性能指標(biāo)，包括：

邊模抑制比大于60dB的單模運(yùn)行

低閾值電流密度31安培/平方厘米

13千兆赫茲的高調(diào)制帶寬

自由運(yùn)行狀態(tài)下41千赫茲的窄線寬

通過(guò)先進(jìn)腔體設(shè)計(jì)可能實(shí)現(xiàn)亞赫茲線寬
7 d; b/ S! S# _# G9 J
( E& X7 l. O3 D未來(lái)發(fā)展與挑戰(zhàn)
6 a$ u! I- j6 Z; l% `2 W3 x雖然硅基量子點(diǎn)激光器在提高光通信能效方面顯示出巨大潛力，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)仍存在多個(gè)挑戰(zhàn)。需要進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

擴(kuò)展到300毫米晶圓的集成

將量子點(diǎn)激光器與高速硅調(diào)制器和光電探測(cè)器組合

在數(shù)據(jù)中心工作條件下進(jìn)行全面的可靠性測(cè)試

在保持高良率的同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)成本
3 Y' ^0 l2 d+ }7 q% |8 k, {4 w1 }
$ s9 |8 [! I, V: ?8 I6 g2 h這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍超越了數(shù)據(jù)中心，延伸到光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、生物化學(xué)傳感和量子計(jì)算等新興領(lǐng)域。在硅芯片上直接集成高效激光源的能力，可以通過(guò)改善性能和可靠性來(lái)推動(dòng)這些領(lǐng)域的發(fā)展。

量子點(diǎn)與硅基光電子技術(shù)的融合標(biāo)志著一個(gè)重要進(jìn)展，不僅滿足了全球通信日益增長(zhǎng)的能源需求，還通過(guò)降低功耗實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益，同時(shí)為計(jì)算和傳感領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)了新應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷成熟，性能提升和環(huán)境效益將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

  G1 ~* N+ w: Z% ?# z& S參考文獻(xiàn)
# i, b- q  q- [& ]& P( \[1] Prokoshin and Y. Wan, "Quantum-dot lasers on silicon: Integrating quantum-dot lasers on silicon photonic chips promises to create high-speed devices for datacom and other applications," PIC Magazine, vol. III, pp. 50-53, 2024.

* l% T$ \6 X8 T. e! @0 g3 _5 o9 R1 }END


+ q! O; h' N( r0 X# G9 j軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

3 W& t4 X3 Y  S' l: @* y3 i+ K/ i歡迎轉(zhuǎn)載

. a/ ^( ^0 T2 _. x- ]# ~轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
8 P( t5 o& q3 i. W  |# R




關(guān)注我們
1 G2 K$ C, R, s; k- p+ ?

/ b! B5 N+ |' g! a$ R: t) O( v% X- F ) {* O% k' v0 Y  k5 [$ a1 a9 N

                     


  q  U4 {) _) Y) V
$ Y+ i- T' N8 V# l1 r" K2 N關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
8 J0 g9 D' s, b* s7 B5 O3 _
http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）