un, immagine ottica di una struttura MZI ibrida sotto eccitazione. B, la configurazione schematica del laser a nanofili su chip. Un nanofilo CdS viene utilizzato come materiale di guadagno ed è accoppiato in modo evanescente a una guida d'onda SiN a forma di ? su entrambi i lati per formare una struttura MZI ibrida. Nella zona di accoppiamento, Le curve della guida d'onda SiN sono progettate per garantire un'elevata efficienza di accoppiamento con un'eccellente riproducibilità. Gli accoppiatori a reticolo fibra-chip sono progettati su entrambe le estremità della guida d'onda SiN, che accoppiano il segnale laser dalla guida d'onda SiN su chip a fibre ottiche standard per la caratterizzazione ottica. C, Spettri laser ottenuti a diverse intensità di pompaggio al di sopra della soglia. Il picco laser dominante è centrato a una lunghezza d'onda di circa 518,9 nm con una larghezza di riga di circa 0,1 nm. Il rapporto di soppressione della modalità laterale aumenta con l'aumentare dell'intensità di pompaggio e realizza un valore massimo di circa un fattore di 20 (13 dB). D, immagine ottica della configurazione di misurazione al microscopio ottico. La configurazione della misurazione utilizza le fibre di uscita per raccogliere i segnali dal chip tramite accoppiatori a reticolo fibra-chip. Credito:di Qingyang Bao, Weijia Li, Peizhen Xu, Ming Zhang, Daoxin Dai, Pan Wang, Xin Guo, e Limin Tong
Negli ultimi anni, crescente attenzione è stata rivolta all'integrazione di nanofili attivi con guide d'onda planari on-chip per sorgenti luminose on-chip. Verso questo obiettivo, gli scienziati in Cina hanno dimostrato un laser a nanofilo al solfuro di cadmio (CdS) monomodale su chip estremamente compatto, integrando un nanofilo CdS indipendente su un chip fotonico di nitruro di silicio (SiN). Lo schema di integrazione su chip offrirà nuove opportunità sia per i dispositivi fotonici a nanofili che per le sorgenti luminose su chip.
Nell'ultimo decennio, la nanofotonica on-chip ha attirato una crescente attenzione per la realizzazione di circuiti fotonici integrati con funzionamento più veloce, larghezza di banda più ampia, minor consumo energetico e maggiore compattezza. Mentre un certo numero di dispositivi e circuiti nanofotonici su chip sono stati fabbricati con successo utilizzando una tecnica compatibile con semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS), le sorgenti luminose su chip rimangono impegnative. D'altra parte, i nanofili semiconduttori cresciuti dal basso sono stati a lungo utilizzati per i laser a guida d'onda su scala nanometrica. Negli ultimi anni, crescente attenzione è stata rivolta all'integrazione di nanofili attivi con guide d'onda planari on-chip per sorgenti luminose on-chip. Però, a causa della grande discrepanza nelle tecniche di fabbricazione, indice di rifrazione e compatibilità geometrica tra un nanofilo indipendente e una guida d'onda planare su chip, una serie di questioni, compresa un'efficienza di accoppiamento relativamente bassa, selezione della modalità inefficace e bassa riproduttività, devono ancora essere affrontati.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , scienziati dello State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Facoltà di Scienze Ottiche e Ingegneria, Università di Zhejiang, La Cina ha dimostrato un laser a nanofili CdS monomodale su chip con un'elevata efficienza di accoppiamento. La selezione della modalità è realizzata utilizzando una struttura di interferometro Mach-Zehnder (MZI). Quando l'intensità di pompaggio supera la soglia laser di 4,9 kW/cm 2 , Il laser monomodale su chip a circa 518,9 nm è ottenuto con una larghezza di linea di 0,1 nm e un rapporto di soppressione in modalità laterale di 20 (13 dB). L'uscita del laser a nanofili viene incanalata in una guida d'onda SiN su chip ad alta efficienza (fino al 58%) mediante accoppiamento evanescente, e il rapporto di accoppiamento direzionale tra le due porte di uscita può essere variato dal 90% al 10% preprogettando la lunghezza di accoppiamento della guida d'onda SiN. Beneficiando della grande diversità dei materiali nanowire disponibili e dell'elevata flessibilità per l'ingegneria del bandgap, lo schema di integrazione su chip dimostrato qui può essere facilmente esteso per realizzare nanolaser su chip dalle gamme dell'ultravioletto al vicino infrarosso, che possono offrire nuove opportunità sia per i nanofili semiconduttori che per i dispositivi fotonici su chip.
Questi scienziati riassumono la fabbricazione e il principio operativo del laser:"Utilizziamo la micromanipolazione al microscopio ottico per integrare un nanofilo CdS su un chip SiN e formare una struttura MZI ibrida con un'eccellente riproducibilità. Utilizzando l'MZI per la selezione della modalità, operiamo il laser in modalità singola. Possiamo anche modificare i rapporti di uscita tra le due porte del laser MZI utilizzando diverse lunghezze di accoppiamento delle curve della guida d'onda".
"La dimensione complessiva della struttura MZI ibrida è mantenuta al di sotto di 100 μm. Gli accoppiatori a reticolo fibra-chip sono progettati su entrambe le estremità della guida d'onda SiN, che accoppiano il segnale laser dalla guida d'onda SiN su chip a fibre ottiche standard per la caratterizzazione ottica."
"Confrontando le intensità di uscita del laser dall'estremità del nanofilo e dall'area del reticolo, stimiamo che la potenza frazionaria incanalata nella guida d'onda SiN sia di circa il 58%, molto superiore ai risultati precedenti ottenuti nei laser a nanofili integrati nel chip, e può essere ulteriormente migliorato ottimizzando l'efficienza di accoppiamento tra il nanofilo e la guida d'onda SiN, " hanno aggiunto.
"Traendo vantaggio dalla grande diversità dei materiali nanowire disponibili e dall'elevata flessibilità per l'ingegneria del bandgap, lo schema di integrazione su chip dimostrato qui può essere facilmente esteso per realizzare nanolaser su chip dalle gamme dell'ultravioletto al vicino infrarosso, e il laser a nanofilo monomodale su chip può quindi offrire l'opportunità di sviluppare sensori ottici fisici e biochimici su chip con maggiore stabilità e compattezza, "prevedono gli scienziati.
