uma, imagem óptica de uma estrutura híbrida MZI sob excitação. b, a configuração esquemática do laser de nanofios no chip. Um nanofio CdS é usado como material de ganho e é evanescentemente acoplado a um guia de onda SiN em forma de? Em ambos os lados para formar uma estrutura MZI híbrida. Na área de acoplamento, As curvas do guia de onda SiN são predefinidas para garantir uma alta eficiência de acoplamento com excelente reprodutibilidade. Acopladores de grade de fibra para chip são projetados em ambas as extremidades do guia de onda SiN, que acopla o sinal de laser do guia de onda SiN no chip em fibras ópticas padrão para caracterização óptica. c, Espectros de lasing obtidos em diferentes intensidades de bombeamento acima do limite. O pico de laser dominante está centrado em um comprimento de onda de aproximadamente 518,9 nm com uma largura de linha de aproximadamente 0,1 nm. A taxa de supressão do modo lateral aumenta com o aumento da intensidade de bombeamento e atinge um valor máximo de aproximadamente um fator de 20 (13 dB). d, imagem ótica da configuração de medição em um microscópio ótico. A configuração de medição usa fibras de saída para coletar sinais do chip por meio de acopladores de grade de fibra para chip. Crédito:por Qingyang Bao, Weijia Li, Peizhen Xu, Ming Zhang, Daoxin Dai, Pan Wang, Xin Guo, e Limin Tong
Nos últimos anos, atenção cada vez maior tem sido dada à integração de nanofios ativos com guias de ondas planas no chip para fontes de luz no chip. Em direção a esse objetivo, cientistas na China demonstraram um laser nanofio de sulfeto de cádmio de modo único (CdS) altamente compacto no chip, integrando um nanofio CdS autônomo em um chip fotônico de nitreto de silício (SiN). O esquema de integração on-chip oferecerá novas oportunidades para dispositivos fotônicos de nanofios e fontes de luz on-chip.
Na década passada, a nanofotônica on-chip tem atraído cada vez mais atenção para a realização de circuitos fotônicos integrados com operação mais rápida, largura de banda mais ampla, menor consumo de energia e maior compactação. Embora uma série de dispositivos e circuitos nanofotônicos on-chip tenham sido fabricados com sucesso usando uma técnica compatível com semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS), as fontes de luz no chip continuam desafiadoras. Por outro lado, Nanofios semicondutores crescidos de baixo para cima têm sido usados há muito tempo para lasers de guia de onda em nanoescala. Nos últimos anos, atenção crescente tem sido dada à integração de nanofios ativos com guias de ondas planas no chip para fontes de luz no chip. Contudo, devido à grande discrepância nas técnicas de fabricação, índice de refração e compatibilidade geométrica entre um nanofio independente e um guia de onda planar no chip, uma variedade de questões, incluindo uma eficiência de acoplamento relativamente baixa, seleção de modo ineficaz e baixa reprodutividade, ainda precisam ser resolvidos.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , cientistas do Laboratório Estadual de Instrumentação Ótica Moderna, Faculdade de Ciências Ópticas e Engenharia, Universidade de Zhejiang, A China demonstrou um laser de nanofio CdS de modo único no chip com alta eficiência de acoplamento. A seleção do modo é realizada usando uma estrutura de interferômetro Mach-Zehnder (MZI). Quando a intensidade de bombeamento excede o limite de laser de 4,9 kW / cm 2 , O lasing de modo único no chip em aproximadamente 518,9 nm é obtido com uma largura de linha de 0,1 nm e uma razão de supressão de modo lateral de 20 (13 dB). A saída do laser nanofio é canalizada em um guia de onda SiN on-chip com alta eficiência (até 58%) por acoplamento evanescente, e a razão de acoplamento direcional entre as duas portas de saída pode ser variada de 90% a 10% pré-projetando o comprimento de acoplamento do guia de ondas SiN. Beneficiando-se da grande diversidade de materiais nanofios disponíveis e da alta flexibilidade para engenharia de bandgap, o esquema de integração no chip demonstrado aqui pode ser prontamente estendido para realizar nanolasers no chip das faixas ultravioleta a infravermelho próximo, que pode oferecer novas oportunidades para nanofios semicondutores e dispositivos fotônicos on-chip.
Esses cientistas resumem a fabricação e o princípio operacional do laser:"Usamos micromanipulação sob um microscópio óptico para integrar um nanofio CdS em um chip SiN e formar uma estrutura MZI híbrida com excelente reprodutibilidade. Usando o MZI para seleção de modo, operamos o laser em modo único. Também podemos alterar as relações de saída entre as duas portas do MZI lasing usando diferentes comprimentos de acoplamento das curvas do guia de ondas. "
"O tamanho geral da estrutura híbrida MZI é mantido abaixo de 100 μm. Os acopladores de grade de fibra para chip são projetados em ambas as extremidades do guia de onda SiN, que acopla o sinal de laser do guia de onda SiN no chip em fibras ópticas padrão para caracterização óptica. "
"Ao comparar as intensidades de saída do laser da extremidade do nanofio e da área da grade, estimamos que a potência fracionada canalizada para o guia de onda SiN seja de aproximadamente 58%, muito superior aos resultados anteriores obtidos em lasers de nanofios integrados em chip, e pode ser melhorado otimizando a eficiência de acoplamento entre o nanofio e o guia de onda SiN, "acrescentaram.
"Beneficiando-se da grande diversidade de materiais nanofios disponíveis e da alta flexibilidade para engenharia de bandgap, o esquema de integração no chip demonstrado aqui pode ser prontamente estendido para realizar nanolasers no chip das faixas ultravioleta a infravermelho próximo, e o laser de nanofio de modo único no chip pode, portanto, oferecer uma oportunidade para desenvolver sensores ópticos físicos e bioquímicos no chip com maior estabilidade e compacidade, "os cientistas previram.
