a, optisk bild av en hybrid MZI-struktur under excitation. b, den schematiska konfigurationen av on-chip nanotrådlasern. En CdS nanotråd används som förstärkningsmaterial och är försvinnande kopplad till en a-formad SiN-vågledare på båda sidor för att bilda en hybrid MZI-struktur. I kopplingsområdet, SiN-vågledarböjar är fördesignade för att säkerställa en hög kopplingseffektivitet med utmärkt reproducerbarhet. Fiber-till-chip-gitterkopplingar är utformade i båda ändarna av SiN-vågledaren, som kopplar lasersignalen från SiN-vågledaren på chipet till optiska standardfibrer för optisk karakterisering. c, Laserspektra erhållna vid olika pumpintensiteter över tröskeln. Den dominerande lasringstoppen är centrerad vid en våglängd på ungefär 518,9 nm med en linjebredd på ungefär 0,1 nm. Sidolägesundertryckningsförhållandet ökar med ökande pumpintensitet och realiserar ett maximalt värde på ungefär en faktor 20 (13 dB). d, optisk bild av mätuppställningen under ett optiskt mikroskop. Mätuppsättningen använder utgående fibrer för att samla in signaler från chipet via fiber-till-chip gitterkopplare. Kredit:av Qingyang Bao, Weijia Li, Peizhen Xu, Ming Zhang, Daoxin Dai, Pan Wang, Xin Guo, och Limin Tong
På senare år har ökad uppmärksamhet har ägnats åt integrationen av aktiva nanotrådar med plana vågledare på chipet för ljuskällor på chipet. Mot detta mål, forskare i Kina visade en mycket kompakt on-chip single-mode kadmiumsulfid (CdS) nanotrådlaser, genom att integrera en fristående CdS nanotråd på ett fotoniskt chip av kiselnitrid (SiN). Integreringsschemat på chip kommer att erbjuda nya möjligheter för både nanotrådsfotoniska enheter och ljuskällor på chipet.
Under det senaste decenniet har on-chip nanophotonics har väckt ökad uppmärksamhet för förverkligandet av integrerade fotoniska kretsar med snabbare drift, bredare bandbredd, lägre strömförbrukning och högre kompaktitet. Medan ett antal on-chip nanofotoniska enheter och kretsar framgångsrikt har tillverkats med hjälp av en komplementär metalloxidhalvledare (CMOS)-kompatibel teknik, on-chip ljuskällor förblir utmanande. Å andra sidan, Bottom-up-odlade halvledarnanotrådar har länge använts för vågledarlasrar i nanoskala. På senare år har ökad uppmärksamhet har ägnats åt integrationen av aktiva nanotrådar med plana vågledare för chip för ljuskällor på chip. Dock, på grund av den stora skillnaden i tillverkningsteknik, brytningsindex och geometrisk kompatibilitet mellan en fristående nanotråd och en on-chip plan vågledare, en mängd olika frågor, inklusive en relativt låg kopplingseffektivitet, ineffektivt lägesval och låg reproduktivitet, har ännu inte åtgärdats.
I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och applikationer , forskare från State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, Zhejiang University, Kina demonstrerade en on-chip single-mode CdS nanotrådlaser med hög kopplingseffektivitet. Modvalet görs med hjälp av en Mach-Zehnder interferometer (MZI) struktur. När pumpintensiteten överstiger lasringströskeln på 4,9 kW/cm 2 , on-chip singelmodslasring vid ungefär 518,9 nm uppnås med en linjebredd på 0,1 nm och ett sidolägesundertryckningsförhållande på 20 (13 dB). Utsignalen från nanotrådslasern kanaliseras till en SiN-vågledare på chipet med hög effektivitet (upp till 58%) genom evanescent koppling, och det riktade kopplingsförhållandet mellan de två utgångsportarna kan varieras från 90 % till 10 % genom att förutforma kopplingslängden för SiN-vågledaren. Dra nytta av den stora mångfalden av tillgängliga nanotrådsmaterial och hög flexibilitet för bandgap engineering, Integreringsschemat på chipet som visas här kan lätt utökas för att realisera nanolasrar på chipet från det ultravioletta till det nära infraröda området, vilket kan erbjuda nya möjligheter för både halvledarnanotrådar och fotoniska enheter på chip.
Dessa forskare sammanfattar laserns tillverknings- och funktionsprincip:"Vi använder mikromanipulation under ett optiskt mikroskop för att integrera en CdS nanotråd på ett SiN-chip och bilda en hybrid MZI-struktur med utmärkt reproducerbarhet. Genom att använda MZI för val av läge, vi använder lasern i ett enda läge. Vi kan också ändra utmatningsförhållandena mellan de två portarna på lasande MZI genom att använda olika kopplingslängder för vågledarböjningarna. "
"Den totala storleken på hybrid-MZI-strukturen hålls under 100 μm. Fiber-till-chip-gitterkopplare är utformade i båda ändarna av SiN-vågledaren, som kopplar lasersignalen från SiN-vågledaren på chipet till optiska standardfibrer för optisk karakterisering."
"Genom att jämföra de lasrande uteffekterna från nanotrådsänden och gitterområdet, vi uppskattar fraktionseffekten som kanaliseras in i SiN-vågledaren till cirka 58 %, mycket högre än tidigare resultat i chipintegrerade nanotrådslasrar, och kan förbättras ytterligare genom att optimera kopplingseffektiviteten mellan nanotråden och SiN-vågledaren, " lade de till.
"Att dra nytta av den stora mångfalden av tillgängliga nanotrådsmaterial och hög flexibilitet för bandgap engineering, Integreringsschemat på chipet som visas här kan lätt utökas för att realisera nanolasrar på chipet från det ultravioletta till det nära infraröda området, och en-mode nanotrådlasern på chip kan således erbjuda en möjlighet att utveckla fysiska och biokemiska optiska sensorer på chip med högre stabilitet och kompaktitet, ", förutspår forskarna.
