电信波段多波长垂直发射量子阱纳米线激光器阵列

逍遥设计自动化

引言
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半导体纳米线作为紧凑、低阈值的纳米级激光器，在光互连、医疗诊断和超分辨率成像等应用中展现出巨大潜力。特别是电信波段纳米线激光器作为光电子集成芯片上的相干光源，正推动着光通信和光计算领域的创新。
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& V$ o: `2 B/ L5 w& \实现高性能电信波段纳米线激光器，需要关注高效增益介质、最佳增益范围和有效的光学谐振腔设计。这就需要外延生长具有光滑侧壁、可控尺寸和精确晶体成分的高质量纳米线。具有径向多量子阱(MQWs)的核壳纳米线由于其大面积有源区、可调带隙能量和量子限制效应，成为非常有吸引力的候选对象[1]。
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! x- e8 o# _# N, H" A- M* u创新的生长方法
然而，外延生长同时具有良好结构和光学性能以及均匀形貌的MQW结构一直是重大挑战。以往的生长方法常常导致锥形、不均匀的形貌或缺陷，降低了光学性能。

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0 K5 b6 Z7 k: a5 p3 ^  U) Y图1：MQW纳米线阵列的结构和光学表征。该图展示了纳米线阵列的生长过程、扫描电镜图像、透射电镜分析和光致发光映射。
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) J& R0 [% }1 W( h9 w' Q$ s4 a在这项研究中，研究人员通过选择性区域外延(SAE)引入了创新的多步面工程方法，用于纤锌矿(WZ)基InGaAs/InP MQW纳米线的生长。这种方法实现了高质量、均匀的纳米线阵列生长，可精确控制尺寸，形成垂直法布里-珀罗谐振腔，并在室温下实现跨电信波段的激光发射。

生长过程与结构表征
; H1 h1 e+ Y/ R& u) \' e生长过程包括三个关键步骤：

在高温和低V/III比条件下生长WZ InP纳米线核心到所需长度。

将生长条件改变为低温和高V/III比，促进横向InP壳层生长，使纳米线侧壁从{1-100}转变为{11-20}取向。

在经过面工程的核壳结构上生长InGaAs/InP MQWs，保持六边形形状和光滑形貌。
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这种方法生长的纳米线具有优异的结构和光学性质，形成高Q因子的垂直法布里-珀罗谐振腔，实现MQW在垂直方向上的激光发射。
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0 y2 |6 M! j4 D$ w使用扫描透射电子显微镜(STEM)进行的结构表征揭示了交替排列的六边形量子阱和势垒的同轴对称排列。能量色散X射线光谱(EDX)确认了InGaAs量子阱的存在，平均组成为In0.85Ga0.15As0.4P0.6。

0 e; @, O2 l' t3 ?4 n光学特性与激光表征
光学表征显示了覆盖1.1-1.9μm波长范围的强烈宽带发射，载流子寿命短(约0.25ns)，表明由于量子限制效应增强了载流子复合。

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0 j: z) X) K+ s4 [& Y9 Z1 |图2：单个基底上纳米线的激光特性表征。该图显示了发射光谱、强度图和时间分辨测量，展示了激光行为。

通过对单个基底上纳米线的光学泵浦评估了激光特性。在低泵浦通量下，观察到来自InP和InGaAs量子阱的宽带光致发光。随着泵浦通量增加，出现并迅速增强了一个窄峰，展示了从自发辐射到放大自发辐射，最后到受激辐射的转变过程。

- t% _" }8 x1 v0 b5 S在5K温度下实现了阈值为2.7μJ cm-2每脉冲的单模激光。时间分辨测量显示，在激光阈值以上，分辨率受限的受激辐射寿命约为35ps，证实了受激辐射的主导地位。

模式分析与模拟
; T; E% c# _* J为了理解激光模式，进行了有限差分时域(FDTD)模拟，分析了不同纳米线直径的阈值增益。结果结合偏振依赖测量表明，激光模式对应于EH11a/b横向模式。

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5 h0 B5 m1 {# m  a图3：通过3D FDTD模拟进行模式识别。该图显示了不同激光模式的计算反射率、限制因子、阈值增益和偏振依赖性。
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0 {9 y/ A$ x  [+ }电信波段激光性能
为了将激光波长延伸到重要的电信波段，研究人员生长了具有不同铟组分量子阱的InGaAs/InP MQW纳米线阵列。这实现了中心波长为1532nm的室温激光，阈值功率低至约28.2μJ cm-2每脉冲。

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. Y. ^  e5 j) m, C4 H" \9 {% I- J& W图4：电信波段激光特性表征。该图展示了激光光谱、温度依赖性以及阵列中多个纳米线的同时激光发射。
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' T% I: E! l# b; @/ F6 Y  N: e) {通过调节铟组分，激光波长可以在电信O波段到C波段(1356至1542nm)范围内调谐。获得了128K的高特征温度，表明温度稳定性良好。
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重要的是，展示了同一阵列中多个纳米线的同时激光发射。这种集体激光现象为生产大规模、高密度纳米激光源用于集成光电子应用提供了巨大潜力。
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结论与展望
这种纳米线激光器阵列方法的主要优势包括：
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垂直发射方向，便于与片上波导耦合或平面外收集。

低激光阈值和高特征温度，允许在室温下高效运行。

跨电信波段的波长可调性，满足各种光通信应用需求。

有序阵列中大量纳米线的均匀激光发射，展示了用于集成光电子线路的可扩展性。

4 n# ~. E5 h. i, R4 z这项工作在电信应用纳米级激光器领域取得了进展。精心设计的多步生长策略实现了对纳米线形貌、组成和光学性能的精确控制。所得到的垂直发射纳米线激光器阵列为实现经济高效、片上先进光电子和光电子集成芯片提供了良好基础。

; Y9 ]' Q% G( r8 a9 q8 ?& ^9 Z未来的研究可能会集中在这些纳米线激光器的电注入、进一步提高大型阵列中激光纳米线的均匀性和产率，以及将这些激光源与其他片上光电子器件集成。

参考文献
[1] X. Zhang et al., "Telecom-band multiwavelength vertical emitting quantum well nanowire laser arrays," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 230, 2024.
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