une, image optique d'une structure hybride MZI sous excitation. b, la configuration schématique du laser à nanofils sur puce. Un nanofil CdS est utilisé comme matériau de gain et est couplé de manière évanescente à un guide d'ondes SiN en forme de des deux côtés pour former une structure MZI hybride. Dans la zone de couplage, Les coudes de guide d'ondes SiN sont préconçus pour assurer une efficacité de couplage élevée avec une excellente reproductibilité. Les coupleurs de réseau fibre-to-chip sont conçus aux deux extrémités du guide d'onde SiN, qui couplent le signal laser du guide d'ondes SiN sur puce dans des fibres optiques standard pour la caractérisation optique. c, Spectres laser obtenus à différentes intensités de pompage au-dessus du seuil. Le pic laser dominant est centré à une longueur d'onde d'environ 518,9 nm avec une largeur de raie d'environ 0,1 nm. Le taux de suppression de mode latéral augmente avec l'augmentation de l'intensité de pompage et atteint une valeur maximale d'environ un facteur 20 (13 dB). ré, image optique du montage de mesure au microscope optique. La configuration de mesure utilise des fibres de sortie pour collecter les signaux hors de la puce via des coupleurs de réseau fibre à puce. Crédit :par Qingyang Bao, Weijia Li, Peizhen Xu, Ming Zhang, Daoxin Dai, Pan Wang, Xin Guo, et Limin Tong
Dans les années récentes, une attention croissante a été accordée à l'intégration de nanofils actifs avec des guides d'ondes planaires sur puce pour les sources lumineuses sur puce. Vers cet objectif, des scientifiques chinois ont fait la démonstration d'un laser monomode à nanofils au sulfure de cadmium (CdS) sur puce très compact, en intégrant un nanofil CdS autonome sur une puce photonique en nitrure de silicium (SiN). Le schéma d'intégration sur puce offrira de nouvelles opportunités pour les dispositifs photoniques à nanofils et les sources lumineuses sur puce.
Dans la dernière décennie, la nanophotonique sur puce a attiré une attention croissante pour la réalisation de circuits photoniques intégrés avec un fonctionnement plus rapide, bande passante plus large, faible consommation d'énergie et plus grande compacité. Alors qu'un certain nombre de dispositifs et circuits nanophotoniques sur puce ont été fabriqués avec succès à l'aide d'une technique compatible avec un semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS), les sources lumineuses sur puce restent un défi. D'autre part, Les nanofils semi-conducteurs à croissance ascendante sont utilisés depuis longtemps pour les lasers à guide d'ondes à l'échelle nanométrique. Dans les années récentes, une attention croissante a été accordée à l'intégration de nanofils actifs avec des guides d'ondes planaires sur puce pour les sources lumineuses sur puce. Cependant, en raison de la grande divergence dans les techniques de fabrication, indice de réfraction et compatibilité géométrique entre un nanofil autoportant et un guide d'ondes plan sur puce, une variété de problèmes, incluant une efficacité de couplage relativement faible, sélection de mode inefficace et faible reproductibilité, doivent encore être abordés.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , des scientifiques du State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Collège des sciences et de l'ingénierie optiques, Université du Zhejiang, La Chine a fait la démonstration d'un laser à nanofil CdS monomode sur puce avec une efficacité de couplage élevée. La sélection de mode est réalisée à l'aide d'une structure d'interféromètre de Mach-Zehnder (MZI). Lorsque l'intensité de pompage dépasse le seuil lasing de 4,9 kW/cm 2 , le laser monomode sur puce à environ 518,9 nm est obtenu avec une largeur de raie de 0,1 nm et un taux de suppression de mode latéral de 20 (13 dB). La sortie du laser à nanofils est canalisée dans un guide d'ondes SiN sur puce à haut rendement (jusqu'à 58 %) par couplage évanescent, et le rapport de couplage directionnel entre les deux ports de sortie peut varier de 90 % à 10 % en préconçuant la longueur de couplage du guide d'ondes SiN. Bénéficiant de la grande diversité des matériaux de nanofils disponibles et d'une grande flexibilité pour l'ingénierie de la bande interdite, le schéma d'intégration sur puce démontré ici peut être facilement étendu pour réaliser des nanolasers sur puce de l'ultraviolet au proche infrarouge, ce qui peut offrir de nouvelles opportunités pour les nanofils semi-conducteurs et les dispositifs photoniques sur puce.
Ces scientifiques résument le principe de fabrication et de fonctionnement du laser :« Nous utilisons la micromanipulation sous microscope optique pour intégrer un nanofil CdS sur une puce SiN et former une structure MZI hybride avec une excellente reproductibilité. En utilisant le MZI pour la sélection de mode, nous exploitons le laser en mode unique. Nous pouvons également modifier les rapports de sortie entre les deux ports du MZI laser en utilisant différentes longueurs de couplage des coudes du guide d'ondes."
"La taille globale de la structure hybride MZI est maintenue en dessous de 100 m. Les coupleurs de réseau fibre-to-chip sont conçus aux deux extrémités du guide d'onde SiN, qui couplent le signal laser du guide d'ondes SiN sur puce dans des fibres optiques standard pour la caractérisation optique."
"En comparant les intensités de sortie laser de l'extrémité du nanofil et de la zone de réseau, nous estimons la puissance fractionnaire canalisée dans le guide d'onde SiN à environ 58 %, beaucoup plus élevé que les résultats précédents obtenus dans les lasers à nanofils intégrés sur puce, et peut être encore amélioré en optimisant l'efficacité de couplage entre le nanofil et le guide d'onde SiN, " ont-ils ajouté.
« Bénéficiant de la grande diversité des matériaux de nanofils disponibles et d'une grande flexibilité pour l'ingénierie de la bande interdite, le schéma d'intégration sur puce démontré ici peut être facilement étendu pour réaliser des nanolasers sur puce de l'ultraviolet au proche infrarouge, et le laser à nanofil monomode sur puce peut ainsi offrir une opportunité de développer des capteurs optiques physiques et biochimiques sur puce avec une stabilité et une compacité plus élevées, ", prédisent les scientifiques.
