基于半导体单量子点谐振腔耦合结构的超低功耗纳米发光管

With the rapid development of the digital processing, data storage and transfer, the traditional electrical connectivity is far from the requirement. Optical interconnects have attracted much research attention in recent years owing to potential performance and power consumption improvement over traditional electrical connectivity. To be a next generation optical source, the complete energy budget for an optical link should be about 10 fJ per bit, while the operating speed should be at least 10GHz. But the traditional laser source have uW to mW thresholds and the best external modulators consume 100s of fJ to pJ per bit.The aim of this project is to investigate a next generation source for optical interconnects. We will adopt a scheme with InAs QDs embeded in photonic crystal cavity, which is assumed to have high quality factor and low energy comsumption. The goal is to realize an nano LED with 900~1350nm wavelengths and ultra low energy budget: <100 fJ/bit, and the direct modulation frequency > 5GHz.

当传统大规模集成电子芯片技术向更高速、更大容量的发展中遇到功耗急剧增加、速度难以提升等瓶颈问题时，采用具有超高带宽、无串扰等优越性能的光互连技术成为目前热点，已逐步应用于数据机柜间、框架间、芯片间等的高速互连。其终极目标显然是芯片内超短距离光互联。这就对光源的功耗和速度等提出了极高的要求。而基于系综载流子操控原理的传统半导体发光器件显然难以实现每比特能耗低于几十个fJ和调制速度达到10GHz的超高性能。本项目提出基于半导体单量子点纳米结构这种极小有源介质实现超低功耗纳米激光器研究计划。首先生长制备可定位的半导体量子点，并与高品质因子、小模式体积光学谐振腔相耦合。通过优化电极结构实现泵浦方式的优化、减小注入损耗、提高泵浦和发光效率，突破高质量谐振腔的纳米制备工艺技术难题。制备发光波长900-1350纳米、调制速率大于5GHz、阈值功耗小于100fJ/bit的高性能纳米发光管。

本课题主要研究InAs量子点为有源区的超短功耗器件，其中包括超短脉冲激光器和单光子源。完成了900-1310nm InAs量子点材料的生长和优化；完成了GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射镜（DBR）及其微腔的设计和制备；完成了DBR结构的微柱刻蚀工艺，以及InAs量子点在微柱中的耦合；完成了基于InAs量子点的1.3微米的半导体超短脉冲激光器，该超短脉冲激光器实现小于50fJ/bit的超低功耗，频率可达20GHz左右；脉冲宽度2.6ps；完成930nm量子点单光子源的研制，可实现的是在10K温度条件下，量子点波长范围在860nm—940nm内可控，g(2)(0)可达到0.2，连续光激发下发射速率可达到4MHz。完成1310nm量子点单光子源的研制，可实现的是在10K温度条件下，1310nm，g(2)(0)可达到0.2，连续光激发下发射速率可达到10MHz。完成单光子器件光纤耦合输出，采用光纤和微柱正对的收集方案，光纤耦合微柱效率为：1.64%（模拟结果：26%）。上述器件的研发，对我国在量子通信领域和高速超短功耗器件的研发方面具有巨大地推进作用。