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Jul 21, 2023

Illuminare la strada: la ricerca quantistica per la superiorità

Di Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, 17 luglio 2023 Sono costituiti da laser DFB III-V QW/QD e risonatori a microanelli SiN. Crediti: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric

A cura del Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, 17 luglio 2023

Sono costituiti da laser DFB III-V QW/QD e risonatori a microanelli SiN. Crediti: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers e Yating Wan

I diodi laser basati su materiali semiconduttori a pozzo quantico (QW) e a punto quantico (QD) integrati con microrisonatori SiN mostrano un potenziale promettente grazie alla loro elevata efficienza energetica e alle dimensioni compatte. Uno studio condotto dal professor Yating Wan ha esplorato il design e la funzionalità di questi laser a cavità composita, offrendo preziose informazioni per il futuro sviluppo della tecnologia dei diodi laser.

Quantum well (QW) and quantum dot (QD) semiconductor materials-based on-chip laser diodes are now primary candidates in various applications. Their attractive features include high power efficiency, the ability to operate at high temperatures, and compact size. While QWs have been widely implemented in commercial products, QDs, with their unique zero-dimensional density of states and atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">degenerazione simile all’atomo, sono un’alternativa promettente.

L'integrazione eterogenea dei laser III-V con microrisonatori al nitruro di silicio (SiN), facilitata dal bloccaggio dell'autoiniezione, aggiunge vantaggi intrinseci. Questi includono compattezza, potenziale di produzione in grandi volumi e maggiore stabilità. Questa tecnologia consente prestazioni di restringimento della larghezza di linea superiori rispetto ai laser III-V coltivati ​​su piattaforme native.

a, b Larghezza di linea FWHM del laser QD III-V/SiN in funzione della densità di corrente di iniezione per diversi strati QD (a) e densità QD (b). c,d Mappe di colori della potenza di uscita (a sinistra) e dell'efficienza della presa a muro (a destra) in funzione degli strati QD (c) e della densità QD (d). Crediti: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers e Yating Wan

Uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Light Science & Application si è immerso in un'indagine parametrica della progettazione del mezzo attivo dei laser a cavità composita. Questa ricerca è stata diretta dal professor Yating Wan dell'Integrated Photonics Lab presso la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Arabia Saudita, dal dottor Weng W. Chow dei Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA, dal prof. Frédéric Grillot di LTCI, Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris, Francia, e il Prof. John Bowers dell'Università della California Santa Barbara, USA.

Il team si è concentrato sull'impatto del confinamento quantico del portatore sulle caratteristiche dinamiche e spettrali del dispositivo a cavità composita bloccata. La loro enfasi specifica era sul perfezionamento dello spettro di emissione, o restringimento della larghezza di linea, quando si integravano laser a feedback distribuito (DFB) III-V QW o QD con risonatori a microanelli SiN. Emad Alkhazraji, il primo autore del documento di ricerca, ha chiarito il principio alla base del miglioramento. "Se adeguatamente sintonizzato e bloccato su una o più modalità della galleria sussurrata del microring, il feedback ottico sotto forma di retrodiffusione di Rayleigh può consentire riduzioni drastiche della larghezza della linea laser di un diodo laser al livello di Hz", ha spiegato Alkhazraji.

Mostra lo spazio di progettazione 4D e i punti ottimali per ciascun dispositivo. Crediti: Emad Alkhazraji, Weng W. Chow, Frédéric Grillot, John E. Bowers e Yating Wan

L'indagine parametrica si è conclusa con un'analisi di ottimizzazione della progettazione e del funzionamento multi-obiettivo dei dispositivi QW e QD tramite un algoritmo genetico. È stato quindi utilizzato un algoritmo multi-decisione per determinare i punti ottimali di progettazione-operazione per ciascuna variabile di ottimizzazione.

“Questi risultati forniscono una guida per studi parametrici più completi che possono produrre risultati tempestivi per la progettazione ingegneristica”, ha concluso il professor Yating Wan. Lo studio evidenzia il potenziale di miglioramento e di ulteriore sviluppo nel campo della tecnologia dei diodi laser.