a, imagen óptica de una estructura híbrida MZI bajo excitación. B, la configuración esquemática del láser de nanocables en chip. Se utiliza un nanoalambre de CdS como material de ganancia y se acopla de manera evanescente a una guía de ondas de SiN en forma de \ beta en ambos lados para formar una estructura híbrida de MZI. En la zona de acoplamiento, Los codos de la guía de ondas de SiN están prediseñados para garantizar una alta eficiencia de acoplamiento con una excelente reproducibilidad. Los acopladores de rejilla de fibra a viruta están diseñados en ambos extremos de la guía de ondas de SiN, que acoplan la señal láser de la guía de ondas de SiN en el chip en fibras ópticas estándar para la caracterización óptica. C, Espectros láser obtenidos a diferentes intensidades de bombeo por encima del umbral. El pico de láser dominante se centra en una longitud de onda de aproximadamente 518,9 nm con un ancho de línea de aproximadamente 0,1 nm. La relación de supresión de modo lateral aumenta con el aumento de la intensidad de bombeo y alcanza un valor máximo de aproximadamente un factor de 20 (13 dB). D, imagen óptica de la configuración de medición bajo un microscopio óptico. La configuración de medición utiliza fibras de salida para recolectar señales del chip a través de acopladores de rejilla de fibra a chip. Crédito:por Qingyang Bao, Weijia Li, Peizhen Xu, Ming Zhang, Daoxin Dai, Pan Wang, Xin Guo, y Limin Tong
En años recientes, Se ha prestado cada vez más atención a la integración de nanocables activos con guías de ondas planas en chip para fuentes de luz en chip. Hacia este objetivo, científicos en China demostraron un láser de nanocables de sulfuro de cadmio monomodo (CdS) en chip altamente compacto, mediante la integración de un nanoalambre de CdS autónomo en un chip fotónico de nitruro de silicio (SiN). El esquema de integración en chip ofrecerá nuevas oportunidades tanto para dispositivos fotónicos de nanocables como para fuentes de luz en chip.
En la última decada, La nanofotónica en chip ha atraído cada vez más atención para la realización de circuitos fotónicos integrados con un funcionamiento más rápido. ancho de banda más amplio, Menor consumo de energía y mayor compacidad. Si bien una serie de circuitos y dispositivos nanofotónicos en chip se han fabricado con éxito utilizando una técnica complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS) compatible, las fuentes de luz en chip siguen siendo un desafío. Por otra parte, Los nanocables semiconductores cultivados de abajo hacia arriba se han utilizado durante mucho tiempo para láseres de guía de ondas a nanoescala. En años recientes, Se ha prestado cada vez más atención a la integración de nanocables activos con guías de ondas planas en chip para fuentes de luz en chip. Sin embargo, debido a la gran discrepancia en las técnicas de fabricación, índice de refracción y compatibilidad geométrica entre un nanoalambre independiente y una guía de ondas plana en chip, una variedad de problemas, incluyendo una eficiencia de acoplamiento relativamente baja, selección de modo ineficaz y baja reproductividad, aún no se han abordado.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , científicos del Laboratorio Estatal Clave de Instrumentación Óptica Moderna, Facultad de Ciencias e Ingeniería Ópticas, Universidad de Zhejiang, China demostró un láser de nanocables CdS monomodo en chip con alta eficiencia de acoplamiento. La selección de modo se realiza utilizando una estructura de interferómetro Mach-Zehnder (MZI). Cuando la intensidad de bombeo supera el umbral láser de 4,9 kW / cm 2 , El láser monomodo en el chip a aproximadamente 518,9 nm se logra con un ancho de línea de 0,1 nm y una relación de supresión de modo lateral de 20 (13 dB). La salida del láser de nanocables se canaliza a una guía de ondas de SiN en el chip con alta eficiencia (hasta 58%) por acoplamiento evanescente, y la relación de acoplamiento direccional entre los dos puertos de salida se puede variar del 90% al 10% diseñando previamente la longitud de acoplamiento de la guía de ondas de SiN. Beneficiándose de la gran diversidad de materiales de nanocables disponibles y la alta flexibilidad para la ingeniería de banda prohibida, el esquema de integración en el chip que se muestra aquí se puede ampliar fácilmente para realizar nanoláseres en el chip desde los rangos ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, lo que puede ofrecer nuevas oportunidades tanto para nanocables semiconductores como para dispositivos fotónicos en chip.
Estos científicos resumen el principio operativo y de fabricación del láser:"Usamos la micromanipulación bajo un microscopio óptico para integrar un nanocable CdS en un chip SiN y formar una estructura híbrida MZI con excelente reproducibilidad. Al usar el MZI para la selección de modo, operamos el láser en modo único. También podemos cambiar las relaciones de salida entre los dos puertos del MZI láser utilizando diferentes longitudes de acoplamiento de las curvas de la guía de ondas ".
"El tamaño total de la estructura híbrida MZI se mantiene por debajo de 100 μm. Los acopladores de rejilla de fibra a chip están diseñados en ambos extremos de la guía de ondas de SiN, que acoplan la señal láser de la guía de ondas de SiN en el chip en fibras ópticas estándar para la caracterización óptica ".
"Al comparar las intensidades de salida láser del extremo del nanocable y el área de la rejilla, estimamos que la potencia fraccional canalizada hacia la guía de ondas de SiN es aproximadamente del 58%, mucho más alto que los resultados anteriores obtenidos en láseres de nanocables integrados en chip, y se puede mejorar aún más optimizando la eficiencia de acoplamiento entre el nanoalambre y la guía de ondas de SiN, ", agregaron.
"Beneficiándose de la gran diversidad de materiales de nanocables disponibles y la alta flexibilidad para la ingeniería de banda prohibida, el esquema de integración en el chip que se muestra aquí se puede ampliar fácilmente para realizar nanoláseres en el chip desde los rangos ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, y el láser de nanocables monomodo en chip puede ofrecer una oportunidad para desarrollar sensores ópticos físicos y bioquímicos en chip con mayor estabilidad y compacidad, "pronostican los científicos.
