In recente jaren, er is steeds meer aandacht besteed aan de integratie van actieve nanodraden met on-chip vlakke golfgeleiders voor on-chip lichtbronnen. Op weg naar dit doel, wetenschappers in China demonstreerden een zeer compacte on-chip single-mode cadmiumsulfide (CdS) nanodraadlaser, door een vrijstaande CdS-nanodraad te integreren op een siliciumnitride (SiN) fotonische chip. Het integratieschema op de chip biedt nieuwe mogelijkheden voor zowel fotonische apparaten met nanodraad als lichtbronnen op de chip.

In het afgelopen decennium, on-chip nanofotonica heeft steeds meer aandacht getrokken voor de realisatie van geïntegreerde fotonische schakelingen met een snellere werking, bredere bandbreedte, lager stroomverbruik en hogere compactheid. Hoewel een aantal on-chip nanofotonische apparaten en circuits met succes zijn gefabriceerd met behulp van een complementaire metaaloxidehalfgeleider (CMOS)-compatibele techniek, on-chip lichtbronnen blijven een uitdaging. Anderzijds, bottom-up gekweekte halfgeleider-nanodraden worden al lang gebruikt voor golfgeleiderlasers op nanoschaal. In recente jaren, er is steeds meer aandacht besteed aan de integratie van actieve nanodraden met on-chip vlakke golfgeleiders voor on-chip lichtbronnen. Echter, vanwege de grote discrepantie in fabricagetechnieken, brekingsindex en geometrische compatibiliteit tussen een vrijstaande nanodraad en een on-chip vlakke golfgeleider, een verscheidenheid aan problemen, inclusief een relatief laag koppelingsrendement, ineffectieve modusselectie en lage reproductie, moeten nog worden aangepakt.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , wetenschappers van het State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, College van optische wetenschappen en techniek, Zhejiang-universiteit, China demonstreerde een on-chip single-mode CdS-nanodraadlaser met een hoge koppelingsefficiëntie. De modusselectie wordt gerealiseerd met behulp van een Mach-Zehnder interferometer (MZI) -structuur. Wanneer de pompintensiteit de laserdrempel van 4,9 kW/cm . overschrijdt ² , on-chip single-mode laserwerking bij ongeveer 518,9 nm wordt bereikt met een lijnbreedte van 0,1 nm en een side-mode onderdrukkingsverhouding van 20 (13 dB). De output van de nanodraadlaser wordt gekanaliseerd naar een on-chip SiN-golfgeleider met een hoog rendement (tot 58%) door middel van verdwijnende koppeling, en de directionele koppelingsverhouding tussen de twee uitgangspoorten kan worden gevarieerd van 90% tot 10% door de koppelingslengte van de SiN-golfgeleider vooraf te ontwerpen. Profiteren van de grote diversiteit aan beschikbare nanodraadmaterialen en hoge flexibiliteit voor bandgap-engineering, het hier getoonde integratieschema op de chip kan gemakkelijk worden uitgebreid om nanolasers op de chip te realiseren van het ultraviolet tot bijna-infraroodbereik, die nieuwe kansen kunnen bieden voor zowel halfgeleider-nanodraden als on-chip fotonische apparaten.

Deze wetenschappers vatten de fabricage en het werkingsprincipe van de laser samen:"We gebruiken micromanipulatie onder een optische microscoop om een ​​CdS-nanodraad op een SiN-chip te integreren en een hybride MZI-structuur te vormen met uitstekende reproduceerbaarheid. Door de MZI te gebruiken voor modusselectie, we bedienen de laser in enkele modus. We kunnen ook de outputverhoudingen tussen de twee poorten van de laser-MZI veranderen door verschillende koppelingslengtes van de golfgeleiderbochten te gebruiken."

"De totale grootte van de hybride MZI-structuur wordt onder 100 m gehouden. Fibre-to-chip-roosterkoppelingen zijn ontworpen aan beide uiteinden van de SiN-golfgeleider, die het lasersignaal van de on-chip SiN-golfgeleider koppelen aan standaard optische vezels voor optische karakterisering."

"Door de laseroutputintensiteiten van het nanodraaduiteinde en het roostergebied te vergelijken, we schatten het fractionele vermogen dat in de SiN-golfgeleider wordt gekanaliseerd op ongeveer 58%, veel hoger dan eerdere resultaten verkregen in chip-geïntegreerde nanodraadlasers, en kan verder worden verbeterd door de koppelingsefficiëntie tussen de nanodraad en de SiN-golfgeleider te optimaliseren, " voegden ze eraan toe.

"Profiterend van de grote diversiteit aan beschikbare nanodraadmaterialen en hoge flexibiliteit voor bandgap-engineering, het hier getoonde integratieschema op de chip kan gemakkelijk worden uitgebreid om nanolasers op de chip te realiseren van het ultraviolet tot bijna-infraroodbereik, en de on-chip single-mode nanodraadlaser kan dus een mogelijkheid bieden om fysieke en biochemische optische sensoren op de chip te ontwikkelen met een hogere stabiliteit en compactheid, ' voorspellen de wetenschappers.