Разработка и исследование оптоэлектронных микрокомпонентов на основе плотных массивов квантовых точек InGaAs/GaAs для фотонных интегральных схем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Фоминых Никита Андреевич

• Фоминых Никита Андреевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Фоминых Никита Андреевич

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Микролазеры на основе мод шепчущей галереи

1.2. Активная область МШГ-микролазеров на основе полупроводниковых материалов A3B5

1.3. Потери в МШГ микролазерах

1.4. Направленный вывод излучения из МШГ микролазеров

1.5. Волноводные фотодетекторы на КТ

1.6. ФИС на основе GaAs

Заключение по Главе

Глава 2. Экспериментальные и теоретические методы исследования

2.1. Синтез методом МОГФЭ гетероструктур с квантовыми точками InGaAs/GaAs

2.2. Методы формирования микрорезонаторов и полосковых мез

2.3. Описание исследованных образцов

2.4. Экспериментальные методы исследования

2.5. Моделирование оптических мод

Заключение по Главе

Глава 3. Исследование МД лазер ов с активной областью на основе плотных многослойных массивов КТ InGaAs/GaAs

3.1. Влияние разного количества слоев InGaAs/GaAs КТ на характеристики МД лазеров

3.2. Оптические потери в микродисковых лазерах с плотными массивами квантовых точек

3.2.1. Зависимость длины волны генерации МД лазера от диаметра

3.2.2. Характеристики полосковых лазеров

3.2.3. Соотношение между оптическим усилением и длиной волны лазерной генерации

3.2.4. Моделирование оптических потерь в МД лазерах

3.2.5. Внешняя дифференциальная эффективность МД лазеров

Заключение по главе

Глава 4. Оптическая связь МД лазеров с волноводом

4.1. Сопряжение МД лазеров с утоненным оптоволокном

4.2. Сопряжение МД лазеров с радиальным оптическим волноводом

4.3. Сопряжение МД лазеров с оптическим волноводом, идущим по касательной

4.3.1. Спектральные характеристики МД лазера с примыкающим ОВ

4.3.2. Влияние геометрии сопряжения на характеристики МД лазера с примыкающим ОВ

4.3.3. Подтверждение волноводного эффекта

4.3.4. Температурные характеристики МД лазера с примыкающим ОВ

Заключение по главе

Глава 5. Исследование влияния тока инжекции на характеристики оптического волновода

5.1. Особенности спектральных характеристик МД лазеров, сопряженных с ОВ, при повышенных инжекционных токах

5.2. Влияние прямого смещения ОВ

Заключение по главе

Глава 6. Исследование волноводных фотодетекторов на КТ

6.1. Исследование фототока и полосы спектрального пропускания фотодетектора на основе InGaAs/GaAs КТ

6.2. Исследование частотных характеристик фотодетектора на основе КТ InGaAs/GaAs

6.3. Модель быстродействия волноводного фотодиода с активной областью на основе квантовых точек

6.4. Реализация оптопары на основе МД лазера, сопряженного с ОВ и волноводного ФД с КТ InGaAs/GaAs

Заключение по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптоэлектронных микрокомпонентов на основе плотных массивов квантовых точек InGaAs/GaAs для фотонных интегральных схем»

Актуальность темы.

Потребность в обработке больших объемов информации приводит к поиску альтернативы широко использующемуся на данный момент электрическому способу передачи данных на плате [1]. Высокая пропускная способность, малое тепловыделение и устойчивость к помехам высокоскоростной оптической связи делают ее перспективной заменой электрическим межсоединениям [2]. Особый интерес представляет реализация фотонных интегральных схем (ФИС) на GaAs или родственных материалах А3В5, так они имеют показатель преломления, близкий по величине к Si, но при этом могут являться прямозонным полупроводником [3].

В ФИС могут использоваться внешние лазерные источники, что, однако, вызывает проблемы, связанные со стыковкой лазера с волноводом ФИС, последующей временной стабильностью соединения, а также размерами. Предпочтительным является интеграции лазера с ФИС, для чего требуются миниатюрные источники излучения с хорошей температурной стабильностью и малой потребляемой мощностью. Указанным свойствам могут удовлетворять инжекционные микролазеры на основе квантовых точек (КТ). Лазеры на КТ позволили получить рекордно низкую плотность порогового тока [4] и почти полную температурную нечувствительность ватт-амперной характеристики [5]. Также благодаря лазерам на основе КТ была продемонстрирована высокоскоростная передача данных без изменения параметров модуляции в широком температурном диапазоне [6]. Для уменьшения размеров микролазеров на КТ они могут быть выполнены в форме микродиска (МД) или микрокольца (МК). Резонаторы такой формы поддерживают распространение мод шепчущей галереи (МШГ). За счет этого МД/МК лазеры обладают высокой добротностью, узкими лазерными линиями и латеральным выводом излучения, а размер таких лазеров может быть уменьшен до десятков и даже единиц мкм [7]. С использованием в активной

области КТ In04Ga0.6As/GaAs были достигнуты рекордные значения выводимой в свободное пространство мощности излучения МД-лазеров и температуры генерации [8]. Такие КТ, формируемые методом газофазной эпитаксии из металл-органических соединений (МОГФЭ), в литературе и в настоящей диссертации именуются плотными массивами КТ, поскольку обладают поверхностной плотностью примерно на порядок выше КТ InAs/GaAs, формируемых методом молекулярно-пучковой эпитаксией. Другим часто встречающимся в литературе названием является квантовые ямы-точки (КЯТ). Более подробно особенности формирования и основные характеристики таких КТ описаны в разделе 2.1.

Передача данных по оптическому каналу требует направленного распространения излучения. МД/МК лазеры в силу круговой симметрии не обладают выделенным направлением в диаграмме направленности [9]. Одним из возможных решений данной проблемы может быть предварительный ввод излучения микролазера в оптический волновод (ОВ) [10]. При этом МД/МК лазеры и ОВ могут быть сформированы из одной эпитаксиальной структуры. Такая конфигурация оптической связи МД лазеров с ОВ была продемонстрирована ранее для гетероструктур AlGa[nAs, синтезированных на подложках 1пР [11]. Однако, в силу малой величины энергетических разрывов зон и низкой температурной стабильности системы материалов на основе 1пР по сравнению с системой материалов на основе GaAs последняя выглядит более перспективной для использования в ФИС. В то же время монолитной интеграции МД лазеров с ОВ системы материалов на основе GaAs к моменту начала работы над диссертацией не было продемонстрировано.

Помимо источников излучения и волноводов для функционирования ФИС требуются также и приемники излучения. Использование КТ в качестве светопоглощающей области фотодетекторов (ФД) позволяет получать чрезвычайно малые темновые токи (порядка мкА/см2), повышая тем самым их чувствительность [12]. Относительно невысокий уровень поглощения КТ может быть нивелирован путем использования волноводной геометрии ФД, в

которых поглощение излучения происходит на всей длине полоска. При этом волноводные ФД на основе КТ могут обладать согласованной р абочей длиной волны с МД лазерами на КТ, а также могут быть сформированы из одной гетер о стр уктуры [13].

Целью диссертационной работы является исследование полупроводниковых инжекционных МД и МК лазеров с активной областью на основе плотных массивов КТ In0.4Ga0.6As/GaAs, разработка и исследование эванесцентного связывания микролазеров с волноводами разной конфигурации для реализации маршрутизации излучения в ФИС, а также характеристик волноводных ФД на основе таких КТ.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) Анализ влияния количества слоев КТ In0.4Gaa6As/GaAs на характеристики МД лазеров на их основе, определение оптимальной конструкции активной области.

2) Исследование оптических потерь в МД лазерах на основе КТ In0.4Ga0.6As/GaAs, определение зависимости уровня оптических потерь от диаметра МД лазера и физических причин наличия данных потерь.

3) Изучение характеристик оптической связи МД и МК лазеров с монолитно интегрированными волноводами в разной конфигурации.

4) Исследование характеристик волноводных ФД на основе КТ In0.4Ga0.6As/GaAs.

5) Реализация элемента ФИС (оптопары) на основе МД лазера, сопряженного с ОВ, и волноводного ФД.

Методы исследования.

Для изготовления МД лазеров и других оптоэлектронных компонентов использовались полупроводниковые гетероструктуры, синтезированные методом МОГФЭ, и методы фото- и электронно-лучевой литографии в сочетании с плазмохимическим травлением. Для анализа поверхности структур были проведены исследования с помощью сканирующей

электронной микроскопии (СЭМ). В диссертации автором применялись общепринятые экспериментальные методы исследования спектральных, пороговых, мощностных и температурных характеристик полупроводниковых МШГ микролазеров с активной областью на основе КТ [n0.4Ga0.6As/GaAs. Были исследованы спектры электролюминесценции (ЭЛ), вольт-амперные характеристики (ВАХ), зависимости оптической мощности от тока инжекции (ватт-амперные характеристики (ВтАХ)) в разном температурном диапазоне. Анализ зависимости фототока волноводных ФД с активной областью на основе КТ In0.4Ga0.6As/GaAs от длины волны падающего света позволил изучить их чувствительность в разном спектральном диапазоне. Динамические характеристики ФД были исследованы с помощью отклика при малосигнальной модуляции падающего света (параметр S21). При возможности, полученные экспериментальные данные сравнивались с результатами выполненного автором моделирования или расчетов, а также с ранее опубликованными литературными данными.

Научная новизна работы.

1) Впервые исследована взаимосвязь числа слоев плотных массивов КТ In0.4Ga0.6As/GaAs (так называемые, КЯТ) в активной области МД лазера с его мощностными и спектральными характеристиками.

2) Впервые выполнены измерения спектральной ширины линии генерации МД лазеров на основе КТ методом Фабри-Перо интерферометрии.

3) Предложен способ определения оптических потерь в инжекционных МШГ микролазерах по спектральному положению линии на пороге генерации.

4) Впервые определены значения оптических потерь в МД лазерах на основе плотных массивов КТ в зависимости от диаметра.

5) Впервые продемонстрировано влияние угла огибания интегрального планарного волновода на пороговые и мощностные характеристики сопряженного МД лазера с КТ InGaAs и пр одемонстрировано существование оптимального угла огибания.

6) Впервые исследовано быстродействие волноводных рч-п ФД со светопоглощающей областью на основе массива КТ и выполнен анализ механизмов, ограничивающих предельное быстродействие ФД.

7) Впервые реализована интегральная оптопара на основе КТ InGaAs/GaAs, в которой источником излучения служит МД лазер, сопряженный с планарным волноводом, а приемником излучения -волноводный ФД.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1) Продемонстрирована возможность изменения спектральных и мощностных характеристик МД лазеров в зависимости от количества слоев КТ In0.4Ga0.6As/GaAs. Показано, что в случае разделения КТ спейсерами толщиной 40 нм оптимальным с точки зрения наибольшей мощности излучения является использование 5-6 слоев КТ.

2) Теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый способ определения потерь в МШГ микролазерах на основе того, что соотношение между длиной волны, соответствующей максимуму спектра усиления полупроводниковой лазерной гетероструктуры, и величиной усиления в максимуме определяется внутренними свойствами материала активной области и конструкцией лазерной гетероструктуры. Наблюдаемая обратная пропорциональность оптических потерь диаметру МД лазера объяснена рассеянием моды на боковых стенках МД резонатора и поглощением света в приповерхностном слое толщиной порядка 2 мкм, в котором КТ не заполнены из-за поверхностного обеднения.

3) Показано, что определенная с помощью интерферометра Фабри-Перо спектральная ширина лазерной линии микролазеров с активной областью на основе КТ InGaAs, вне зависимости от диаметра МД, снижается в режиме генерации по крайней мере до 2-3 пм (полная ширина на половине высоты).

4) Показана возможность направленного вывода излучения из инжекционного МШГ микролазера с помощью утоненного оптического

волокна, направленного по касательной, или планарного волновода, изготовленного из той же эпитаксиальной структуры, что и сам микролазер, направленного радиально, примыкающего по касательной или огибающего лазерный микрорезонатор. Определено оптимальное значение угла огибания, обеспечивающее низкий пороговый ток и высокую эффективность ввода в волновод.

5) Продемонстрирована высокая температурная стабильность МД лазеров на основе КТ, интегрально сопряженных с планарным волноводом. Достигнута максимальная рабочая температура около 100°С. Показано, что использование оптимальной конфигурации сопряжения не ведет к ухудшению ни максимальной температуры генерации, ни характеристической температуры порогового тока.

6) Продемонстрированы волноводные ФД на основе In0.4Ga0.6As/GaAs КТ с низким темновым током (менее 0.2 мкА/см2 при обратном смещении до -3 В и менее 1 мкА/см2 при обратном смещении до -6 В). Пробой в таких ФД не наблюдается по крайней мере до -20 В (около 250 кВ/см). Максимальная рабочая частота волноводных ФД составила 5.6 ГГц. Обосновано наличие оптимального числа рядов КТ и оптимальной толщины спейсерных слоев для получения максимального быстродействия. Предельное быстродействие оценено около 27 ГГц.

Положения, выносимые на защиту.

1. Оптические потери в микродисковых лазерах диаметром 15-200 мкм с активной областью в виде плотных массивов квантовых точек In0.4Ga0.6As/GaAs изменяются обратно пропорционально диаметру вследствие рассеяния оптической моды на боковой поверхности резонатора и ее поглощения в приповерхностной области.

2. Существует оптимальный угол огибания интегральным планарным волноводом микродискового лазера, обеспечивающий наибольшую мощность, введенную в волновод, изготовленный из той же гетероструктуры.

Для микродисковых лазеров диаметром 30-40 мкм, сопряженных с волноводом шириной 10 мкм, этот угол составляет около 20 градусов. 3. Зависимость быстродействия волноводныхp-i-n фотоприемников на основе плотных массивов квантовых точек In0.4Ga0.6As/GaAs в качестве светопоглощающей области от обратного смещения имеет два участка: начальный участок быстрого роста (до приблизительно 80 кВ/см) и последующий участок медленного изменения (вплоть до по крайней мере 250 кВ/см), связанные с зависимостью дрейфовой скорости носителей заряда и времени их выброса из квантовых точек от поля, соответственно.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная школа-конференция "Saint-Petersburg OPEN", Санкт-Петербург, Россия (2020, 2021, 2022, 2023 гг.), Международная конференция ФизикА.СПб, Санкт-Петербург, Россия (2022, 2023 гг.), Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто - и наноэлектронике, Санкт-Петербург, Россия (2022, 2023 гг.), АналитБиоПрибор-2022, Санкт-Петербург, Россия (2022 г.).

Достоверность научных достижений обеспечивается корректной постановкой задач, использованием современных и обоснованных экспериментальных методов, внутренней непротиворечивостью полученных результатов, их согласием с известными модельными представлениями и выполненными расчетами, подтверждается публикациями в рецензируемых изданиях.

Личный вклад автора состоял в выработке, совместно с научным руководителем, целей и задач диссертационной работы, анализе литературы по теме диссертации, участии в разработке слоевой конструкции эпитаксиальных гетероструктур, участии в разработке дизайна лазерных резонаторов, волноводов и других оптических элементов, выработке технических заданий на эпитаксиальный синтез (выполнялся в НТЦ

Микроэлектроники РАН) и пост-ростовую обработку структур (выполнялся в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и ИСВЧПЭ им. В.Г. Мокерова РАН), выработке программы исследований и самостоятельном проведении экспериментов по исследованию спектральных, мощностных и иных характеристик оптоэлектронных компонентов, обработке результатов измерений, разработке моделей для описания протекающих в них процессов, влияющих на приборные параметры, и выполнении модельных расчетов, анализе и обобщении полученных результатов, представлении результатов исследований на конфер енциях, написании или участии в написании научных статей по материалам исследований.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы были использованы для выполнения проекта Министерства науки и высшего образования РФ № 0791-2020-0002, гранта Российского научного фонда № 22-72-10002, а также Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

Публикации по теме работы.

Основные результаты диссертации были опубликованы в 10 научных работах, индексирующихся в базе данных Scopus и изданных в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка опубликованных научных статей, содержащих основные результаты данной работы, и списка литературы. Объем диссертации составляет 252 страниц, включая 75 рисунков. Список использованной литературы содержит 155 наименований

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цель и задачи работы, приведены теоретическая и практическая значимость полученных результатов, изложена их научная новизна и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации содержит литературный обзор имеющихся данных по теме исследования, позволивший сделать вывод об актуальности разработки и исследований миниатюрных лазеров и фотоприемников, характеристики которых позволяли бы использовать их для ФИС. Одним из наиболее перспективных решений являются МД и МК лазеры, которые позволяют достичь низких значений пороговой плотности тока даже при размерах около 10-30 мкм. При этом излучение таких микролазеров распространяется в плоскости, облегчая связь с другими элементами ФИС, их эпитаксиальная структура отличается простотой (в сравнении, например, с вертикально-излучающими лазерами), а изготовление реализуется хорошо отработанными пост-ростовыми методами. Волноводные фотоприемники дают возможность детектировать оптический сигнал, распространяющийся в плоскости, обеспечивают высокое быстродействие при переключениях, а доля поглощенного излучения может быть увеличена за счет достаточно большой длины р аспространения света. Как для МД лазеров, так и для фотоприемников привлекательным является использование массивов КТ, поскольку сильная пространственная локализация носителей заряда обеспечивает в первом случае слабое влияние поверхностной безызлучательной рекомбинации и, как результат, приемлемо низкие пороговые плотности тока, а во втором случае -низкие темновые токи.

Анализ литературных источников также показал, что нерешенной остается проблема эффективного направленного вывода излучения из МД лазера, который мог бы быть реализован достаточно простыми средствами. Наиболее естественным для целей ФИС является вывод излучения в планарный волновод с последующим подведением оптического сигнала к компоненту ФИС, например, к фотоприемнику. Эффективность связи микролазера с волноводом должна быть подобрана таким образом, чтобы оказывать незначительное влияние на порог генерации при одновременном введении в волновод достаточной мощности. Важным параметром являются оптические потери в ненагруженном микролазере. Этот вопрос к моменту

начала диссертационной работы фактически был открытым. Также в литературе не представлены данные об оптимизации потерь на вывод излучения при сопряжении МД лазеров с ОВ. Для волноводных фотоприемников на основе КТ нерешенными остаются вопросы установления относительного вклада различных механизмов, определяющих их быстродействие, а также, выбора оптимальной рабочей точки и оптимальной конструкции фотоприемника с учетом влияния обратного смещения, числа рядов КТ, длины фотоприемника и других параметров на величину темнового тока, спектральную чувствительность и быстродействие.

Во второй главе описана слоевая конструкция эпитаксиальной гетероструктуры, которая была использована для создания как микролазеров, так и других оптоэлектронных компонентов, исследуемых в работе. Эпитаксиальная гетероструктура обладала традиционной конструкцией с раздельным ограничением носителей заряда и световой волны (рисунок 1), которая хорошо зарекомендовала себя при изготовлении лазеров с резонатором Фабри-Перо с точки зрения воспроизводимости, низкого теплового сопротивления и электрического. Для ее синтеза была использована МОГФЭ, краткое описание которой представлено в настоящей главе. В качестве светопоглощающей или светоизлучающей области использовались многослойные массивы КТ, формируемые не по механизму Странского-Крастанова (КЯТ или плотные массивы КТ), характеризующиеся высокой поверхностной плотностью и оптическим усилением (примерно на порядок выше, чем у КТ Странского-Крастанова).

350 нм р++-СаАз (2г\) 10ОО нм р+-А10 39Са0 е1Аэ (гп) 500 нм р-А10 зэСа0 61Аз (2п) ЗЮнм СаАз

2х-1 Ох КТ 1п04Са015Аэ / СэАб ЗЮнм СаАз

500 нм л-А10 39Са0 61Аз (81) 10ОО нм л+-А!0 зэСа0_В1Ав (31)

ОэДэ подложка

Рисунок 1 - Схема состава эпитаксиальной гетероструктуры.

Также описаны конструкции МД лазера, оптического волновода, волноводного ФД, методы их изготовления и различные варианты сопряжения. Для создания одиночно стоящих микролазеров применяются методы фотолитографии и сухого травления. Для создания микролазеров, сопряженных с волноводом, используется электронно-лучевая литография и плазменное реактивно-ионное травление, в качестве жесткой маски была разработана в ИСВЧПЭ РАН многослойная система диэлектриков Si3N4/SiO2/Al2O3, рисунок в которой анизотропно травился с помощью многостадийного процесса сначала в хлорной плазме, затем во фторсодержащей плазме.

Применяемый в настоящей работе комплекс исследовательских методов включал измерение спектров излучения (микро-электролюминесценция), вольт- и ватт-амперных характеристик микролазеров (ВАХ, ВтАХ) различного размера, ВАХ и спектральной чувствительности фотодиодов, спектров пропускания волноводов, а также измерение динамических характеристик в режиме прямой СВЧ модуляции, а также моделирование модового спектра, что позволяло определить все основные приборные

параметры исследуемых оптоэлектронных компонентов и установить их взаимосвязь с особенностями конструкции.

В третьей главе представлены результаты исследований спектральных и ватт-амперных характеристик инжекционных МД лазеров различного диаметра (15-200 мкм) с активной областью, содержащей различное (2-10) число рядов КТ. Было обнаружено, что МД лазеры с 5-6 слоями КТ обладают наибольшей пиковой оптической мощностью (рисунок 2) что делает их наиболее перспективными для дальнейшего применения.

2 4 6 8 10

Количество слоев КТ

Рисунок 2 - Зависимости максимальной оптической мощности и тока насыщения оптической мощности 30 мкм МД лазеров от количества слоев

КТ.

Показано, что положение линии излучения МД лазера на пороге генерации сдвигается в коротковолновую область при уменьшении числа рядов КТ в активной области и/или уменьшении диаметра микролазера, что позволило предположить увеличение оптических потерь при уменьшении диаметра МД. Предложен способ определения абсолютного значения оптических потерь в МД лазерах с помощью сравнения положения линии на пороге генерации с таковым для Фабри-Перо лазеров с различной длиной

резонатора, изготовленных из той же эпитаксиальной пластины. Обнаружено, что оптические потери в МД лазерах меняются обратно пропорционально диаметру рисунок 3.

ш т

■2100

о

¿С 50 £ 30 2 20

15 10

5

3 2

600 1500 3200

МД лазеры 4

поглощение на свободных носителях поверхностное поглощение изгиб

2 3 5

10 20 30 50 Диаметр, мкм

100 200

1

Рисунок 3 - Оптические потери, которые были получены из спектрального положения лазерной моды, в зависимости от диаметра микролазера (красные круги), результаты моделирования величины потерь разной

прир оды (линии).

Моделирование показало, что основной вклад в оптические потери исследованных микролазеров вносит поглощение в приповерхностном слое, обусловленное наличием слоя толщиной около 2 мкм с незаполненными КТ. Вторым по значению эффектом является рассеяние моды на шероховатостях боковых стенок. Обнаружено, что дифференциальная эффективность МД лазеров на КТ при токе инжекции выше порогового почти не показывает систематической зависимости от диаметра. При этом значение внешней дифференциальной эффективности хорошо согласуется с величиной, определяемой рассеянием света на боковых стенках.

Впервые выполнены измерения ширины линии генерации КТ МД лазера с помощью интерферометра Фабри-Перо. Показано, что спектральная ширина лазерной линии микролазеров с активной областью на основе КТ, вне зависимости от диаметра МД, снижается в режиме генерации по крайней мере до 2-3 пм.

По результатам исследований, описанных в настоящей главе, было сформулировано первое выносимое на защиту положение.

В четвертой главе проведено исследование возможности реализации оптической связи МШГ микролазеров с различными оптическими элементами. Впервые была показана возможность ввода излучения инжекционного МД лазера в утоненное одномодовое волокно. Данная конфигурация не является интегральным решением, требует тонкой юстировки и чувствительна к внешним воздействиям. Однако может быть использована для исследований свойств микролазера. Эффективность такой связи мала - даже при подведении вплотную в оптоволокно попадает не более 1 % мощности относительно мощности, излучаемой в свободное пространство.

Показана возможность реализации направленного (волноводного) вывода изучения из МШГ микролазера в интегральный волновод, изготавливаемый из той же эпитаксиальной гетероструктуры, что и сам микролазер. Для радиально направленного ОВ продемонстрирован вывод излучения МД лазера с его торца и увеличение мощности по сравнению со свободным пространством примерно в 2 раза (рисунок 4). Однако наличие радиального ОВ приводит к значительному росту порогового тока микролазеров, при том, что такая конфигурация фактически не дает возможно сти упр авлять силой связи микр олазера с ОВ.

20 мкм

Рисунок 4 - Пространственное распределение излучения 100 мкм микролазера с радиальным ОВ.

Исследования МД лазеров с ОВ, примыкающим по касательной, продемонстрировали возможность менять эффективность связи элементов с помощью изменения угла огибания. Наблюдался вывод излучения МД лазеров с торца ОВ для каждой из исследованных конфигураций сопряжения. Наличие огибающей секции у ОВ, соответствующей радиальному углу 20°, приводит к увеличению на порядок вводимой в ОВ оптической мощности без существенного увеличения порогового тока (рисунок 5). Однако, вследствие большой длины волновода и наличия в нем поглощающей области, которая представляет собой ненакачанные квантовые точки, те же, что и в активной области микролазера, мощность, выводимая с торца ОВ, оказывается приблизительно на порядок ниже мощности, введенной в волновод. По сравнению с другими исследованными вариантами сопряжения МД лазера и ОВ, огибание с углом 20° характеризуется наибольшей интенсивностью лазерного излучения, (рисунок 6).

Рисунок 5 - Зависимость величины порогового тока для 30 и 40 мкм микр олазеров от конфигур ации сопряжения. Линии нарисованы для

удобства восприятия.

Рисунок 6 - Зависимость оптической мощности с торца ОВ для различных конфигураций сопряжения при токе накачки 30 мА.

Получены спектральные и пороговые характеристики МД лазеров с ОВ, примыкающим по касательной, которые хорошо согласуются с результатами моделирования добротности таких лазеров для различных конфигураций сопряжения лазера и волновода.

Проведены исследования температурных характеристик МД лазеров, сопряженных с ОВ, идущим по касательной. Впервые продемонстрирована лазерная генерация микролазеров, связанных с ОВ, при температуре 96°С (рисунок 7). Показано, что высокая температурная стабильность лазерных характеристик сохраняется даже при связи МД лазеров с ОВ: характеристическая температура равнялась 85 К для диапазона 20-80°С, как для одиночных МД лазеров, так и для микролазеров, сопряженных с ОВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фоминых Никита Андреевич, 2025 год

Список литературы

[1] Ramirez J. M. et al 2019 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum

Electronics 26 2 1-13

[2] X. Mu, S. Wu, L. Cheng and H. Y. Fu, Applied Sciences 10 (4), 1538 (2020).

[3] P. Jiang and K. C. Balram, Optics express 28 (8), 12262-12271 (2020).

[4] Maximov M. V. et al. A 1.33 цт InAs/GaAs quantum dot laser with a 46 cm-

1 modal gain //Semiconductor science and technology. - 2008. - Т. 23. - №2. 10. - С. 105004.

[5] Fathpour S. et al. The role of Auger recombination in the temperature-

dependent output characteristics (T=ro) of p-doped 1.3 ^m quantum dot lasers //Applied Physics Letters. - 2004. - Т. 85. - №№. 22. - С. 5164-5166.

[6] Tanaka Y. et al. High-speed and temperature-insensitive operation in 1.3-fjm

InAs/GaAs high-density quantum dot lasers //Optical Fiber Communication Conference. - Optica Publishing Group, 2009. - С. OWJ1.

[7] F. Ou, X. Li, B. Liu, Y. Huang and S. T. Ho, Optics letters 35 (10), 1722-1724

(2010).

[8] Moiseev E. et al. Highly efficient injection microdisk lasers based on quantum

well-dots //Optics Letters. - 2018. - Т. 43. - №°. 19. - С. 4554-4557.

[9] W. W. Wong, C. Jagadish and H. H. Tan, IEEE Journal of Quantum Electronics

58 (4), 1-18 (2022).

[10] X. M. Lv, Y. Z. Huang, Y. D. Yang, H. Long, L. X. Zou, Q. F. Yao, X. Jin, J.

L. Xiao and Y. Du, Optics Express 21 (13), 16069-16074 (2013).

[11] L. X. Zou, X. M. Lv, Y. Z. Huang, H. Long, Q. F. Yao and Y. Du, Optics and

Photonics Journal 3 (2), 66-68 (2013).

[12] D. Inoue, Y. Wan, D. Jung, J. Norman, C. Shang, N. Nishiyama, S. Arai, A.C.

Gossard and J.E. Bowers, Appl. Phys. Lett. 113 (9), 093506 (2018).

[13] Kryzhanovskaya N. V. et al. On-chip light detection using integrated microdisk

laser and photodetector bonded onto Si board //Laser Physics Letters. - 2021.

[14] Tang M. et al. 2019 Progress in Quantum Electronics

[15] Arakawa Y., Sakaki H. Multidimensional quantum well laser and temperature

dependence of its threshold current // Appl. Phys. Lett. 1982. Vol. 40, №2 11. P. 939-941.

[16] Zhang C. et al. 8* 8* 40 Gbps fully integrated silicon photonic network on chip

//Optica. - 2016. - T. 3. - №№. 7. - C. 785-786

[17] A.F.J.Levi, R.E.Slusher, S.L.McCall, T.Tanbuk-Ek, D.L.Coblentz, S.J.Perton,

Room temperature operation of microdisc lasers with submilliamp threshold current // Electronics Letters. 1992. Vol. 28, 1010.

[18] Kryzhanovskaya N. et al. III-V microdisk/microring resonators and injection

microlasers //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2021. - T. 54. - №. 45. - C. 453001.

[19] L. Rayleigh, "The problem of the whispering gallery," Philos. Mag., vol. 20,

no. 120, pp. 1001-1004, 1910.

[20] Richtmyer R. D. Dielectric resonators //Journal of applied physics. - 1939. -

T. 10. - №. 6. - C. 391-398.

[21] Garrett C. G. B., Kaiser W., Bond W. L. Stimulated emission into optical

whispering modes of spheres //Physical Review. - 1961. - T. 124. - №2. 6. -C. 1807.

[22] Guha B et al 2017 Optica 4 218, L. He, ,S. K. Özdemir, and L. Yang,

"Whispering gallery microcavity lasers," Laser Photon. Rev., vol. 7, no. 1, pp. 60-82, Jan. 2013.

[23] Du W. et al. Nanolasers based on 2D materials //Laser & Photonics Reviews.

- 2020. - T. 14. - №. 12. - C. 2000271.

[24] Mao M-H, Chien H-C, Hong J-Z and Cheng C-Y 2011 Opt. Express 19 14145

[25] Munsch M. et al. Room temperature, continuous wave lasing in microcylinder

and microring quantum dot laser diodes //Applied Physics Letters. - 2012. -T. 100. - №№. 3.

[26] T. Ide, T. Baba, J. Tatebayashi, S. Iwamoto, T. Nakaoka, and Y. Arakawa,

"Room temperature continuous wave lasing in InAs quantum-dot microdisks with air cladding," Opt. Exp., vol. 13, no. 5, p. 1615, 2005.

[27] Zhukov A. E. et al. Quantum-dot microlasers based on whispering gallery mode

resonators //Light: Science & Applications. - 2021. - T. 10. - №2. 1. - C. 80.

[28] Maximov M. V. et al. Light emitting devices based on quantum well-dots

//Applied Sciences. - 2020. - T. 10. - №2. 3. - C. 1038.

[29] Herz L. M., Phillips R. T. Fine lines from dots //Nature materials. - 2002. - T.

1. - №2. 4. - C. 212-213.

[30] Moiseev E. I. et al. Comparative analysis of injection microdisk lasers based

on InGaAsN quantum wells and InAs/InGaAs quantum dots //Semiconductors. - 2020. - T. 54. - C. 263-267.

[31] Levi A. F. J. et al. Room temperature operation of microdisc lasers with

submilliamp threshold current //Electronics letters. - 1992. - T. 11. - №2. 28. - C. 1010-1012.

[32] Fujita M., Ushigome R., Baba T. Continuous wave lasing in GalnAsP

microdisk injection laser with threshold current of 40^A //Electronics Letters. - 2000. - T. 36. - №2. 9. - C. 1.

[33] Fu R. J. et al. High-temperature operation of InGaAs strained quantum-well

lasers //IEEE Photonics technology letters. - 1991. - T. 3. - №2. 4. - C. 308310.

[34] Su Y. K. et al. Optimization of the highly strained InGaAs/GaAs quantum well

lasers grown by MOVPE //Journal of crystal growth. - 2008. - T. 310. - №2. 15. - C. 3615-3620.

[35] Hu S. Y. et al. Lateral carrier diffusion and surface recombination in

InGaAs/AlGaAs quantum-well ridge-waveguide lasers //Journal of Applied Physics. - 1994. - T. 76. - №2. 8. - C. 4479-4487.

[36] Guina M., Wang S. H. MBE of dilute-nitride optoelectronic devices

//Molecular Beam Epitaxy: From research to mass production. - Elsevier, 2012. - C. 171-187.

[37] Kondow M., Uomi K., Niwa A., Kitatani T., Watahiki S. and Yazawa Y.

GaInNAs: a novel material for long-wavelength-range laser diodes with excellent high-temperature performance // Japanese Journal of Applied Physics. 1996. Vol. 35 . 1273.

[38] S. R. Bank, M. A. Wistey, L. L. Goddard, H. B. Yuen, V. Lordi and J. S. Harris,

Low-threshold continuous-wave 1.5-mm GaInNAsSb lasers grown on GaAs, // IEEE Journal of Quantum Electronics. 2004. Vol. 40. 656.

[39] M.Guina, V.-M. Korpijârvi, J. Rautiainen, P. Tuomisto, J.Puustinen,

A.Hârônen, O. Okhotnikov, 3.5 W GaInNAs disk laser operating at 1220 nm // Proc. SPIE 6997, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics III, 69970Q (2008).

[40] Athanasiou M. et al. Monolithically multi-color lasing from an InGaN

microdisk on a Si substrate //Scientific Reports. - 2017. - Т. 7. - №2. 1. - С. 10086.

[41] Fu W. Y., Choi H. W. Electrically injected InGaN microdisk lasers: A review

of progress, challenges, and future prospects //Progress in Quantum Electronics. - 2024. - С. 100516.

[42] Haberer E. D. et al. Free-standing, optically pumped, GaN/InGaN microdisk

lasers fabricated by photoelectrochemical etching //Applied physics letters. - 2004. - Т. 85. - №. 22. - С. 5179-5181.

[43] Y. Mei, M. Xie, H. Long, L. Ying, B. Zhang, Low threshold GaN-based

microdisk lasers on silicon with high Q factor, Journal of Lightwave Technology 40 (9) (2022) 2952-2958. doi:10.1109/JLT.2022.3147803.

[44] Z. Wang, Y. F. Cheung, W. Y. Fu, H. W. Choi, Enhancing optical confinement

of InGaN thin-film microdisk lasers with hybrid omnidirectional reflectors, ACS Photonics (2024) In pressdoi: 10.1021/acsphotonics.4c00132.

[45] K. H. Li, Y. F. Cheung, W. Y. Fu, H. W. Choi, Electrically injected whispering-

gallery mode InGaN/GaN microdisks, Applied Physics Letters 119 (10) (2021) 101106. doi:10.1063/5.0060830.

[46] M. Feng, H. Zhao, R. Zhou, Y. Tang, J. Liu, X. Sun, Q. Sun, H. Yang,

Continuous-wave current injected InGaN/GaN microdisk laser on Si(100), ACS Photonics 10 (7) (2023) 2208-2215. doi: 10.1021 /acsphotonics. 2c01046.

[47] Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Егоров А.Ю., Жуков А.Е., Максимов М.В.,

Табатадзе И.Г., Копьев П.С. Оптические свойства гетероструктур с квантовыми кластерами InGaAs—GaAs // Физика и техника полупроводников. 1994. .№28, 1483. C. 1487.

[48] Egorov A.Yu., Zhukov A.E., Kop'ev P.S., Ledentsov N.N., Maksimov M.V.,

Ustinov V.M. 8th Int. Conf. MBE (Osaka, Japan, August 29 - September 2, 1994, p. 385).

[49] Kryzhanovskaya N. V. et al. Direct modulation characteristics of microdisk

lasers with InGaAs/GaAs quantum well-dots //Photonics Research. - 2019.

- Т. 7. - №. 6. - С. 664-668.

[50] Cao H. et al. Optically pumped InAs quantum dot microdisk lasers //Applied

Physics Letters. - 2000. - Т. 76. - №№. 24. - С. 3519-3521. [51 ] Makhov I. et al. Two-state lasing in microdisk laser diodes with quantum dot active region //Photonics. - MDPI, 2023. - Т. 10. - №2. 3. - С. 235.

[52] Yao Z. et al. Recent developments of quantum dot materials for high speed and

ultrafast lasers //Nanomaterials. - 2022. - Т. 12. - №2. 7. - С. 1058.

[53] Zhukov A. E., Maksimov M. V., Kovsh A. R. Device characteristics of long-

wavelength lasers based on self-organized quantum dots //Semiconductors.

- 2012. - Т. 46. - С. 1225-1250.

[54] Bimberg, D.; Grundmann, M.; Ledentsov, N.N. Quantum Dot

Heterostructures; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 1999; ISBN 978-0-471-973881.

[55] Amano T. et al. Laser Characteristics of 1.3-$\mu $ m Quantum Dots Laser

With High-Density Quantum Dots //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2007. - Т. 13. - №2. 5. - С. 1273-1278.

[56] T. Kageyama et al., The European Conference on Lasers and Electro-Optics

(CLEO), Munich, 22-26 May 2011 (Optical Society of America, Washington, DC, 2011).

[57] E. Moiseev et al., "Highly efficient injection microdisk lasers based on

quantum well-dots," Opt. Lett., vol. 43, no. 19, pp. 4554-4557, 2018

[58] Y. Wan et al., "Sub-mA threshold 1.3 fim CW lasing from electrically pumped

micro-rings grown on (001) Si," presented at the CLEO: Appl. Technol., San Jose, CA, USA, May 2017, Paper JTh5C.3.

[59] G.T. Liu, A. Stintz, H. Li, T.C. Newell, A.L. Gray, P.M. Varangis, K.J. Malloy,

L.F. Lester. IEEE J. Quant. Electron. 36, 1272 (2000).

[60] X. Huang, A. Stinz, C.P. Hains, G.T. Liu, J. Cheng, K.J. Malloy. Electron. Lett.,

36, 41 (2000).

[61] Крыжановская Н. В. Полупроводниковые микролазеры на основе

резонаторов с модами шепчущей галлереи.

[62] Ustinov V. M. et al. Long-wavelength quantum dot lasers on GaAs substrates

//Nanotechnology. - 2000. - Т. 11. - №№. 4. - С. 397.

[63] Deppe D. G. et al. Quantum dot laser diode with low threshold and low internal

loss //Electronics Letters. - 2009. - Т. 45. - №2. 1. - С. 54-56.

[64] Coldren L. A., Corzine S. W., Mashanovitch M. L. Diode lasers and photonic

integrated circuits. - John Wiley & Sons, 2012.

[65] Venkatakrishnarao D. et al. Advanced Organic and Polymer Whispering-

Gallery-Mode Microresonators for Enhanced Nonlinear Optical Light //Advanced Optical Materials. - 2018. - Т. 6. - №2. 18. - С. 1800343.

[66] Slusher R. E. et al. Threshold characteristics of semiconductor microdisk lasers

//Applied physics letters. - 1993. - Т. 63. - №2. 10. - С. 1310-1312.

[67] Chin M. K., Ho S. T. Design and modeling of waveguide-coupled single-mode

microring resonators //Journal of lightwave technology. - 1998. - Т. 16. -№. 8. - С. 1433-1446.

[68] Borselli M. et al. Rayleigh scattering, mode coupling, and optical loss in silicon

microdisks //Applied Physics Letters. - 2004. - Т. 85. - №2. 17. - С. 36933695.

[69] Borselli M., Johnson T. J., Painter O. Beyond the Rayleigh scattering limit in

high-Q silicon microdisks: theory and experiment //Optics express. - 2005. - Т. 13. - №2. 5. - С. 1515-1530.

[70] Yu A. et al. Emission engineering in microdisk lasers via direct integration of

meta-micromirrors //Nanophotonics. - 2024. - №2. 0.

[71] Harayama T., Shinohara S. Two-dimensional microcavity lasers //Laser &

Photonics Reviews. - 2011. - T. 5. - №2. 2. - C. 247-271.

[72] Liew S. F. et al. Active control of emission directionality of semiconductor

microdisk lasers //Applied Physics Letters. - 2014. - T. 104. - №2. 23.

[73] Tian Z. N. et al. Single-mode unidirectional microcavity laser //Optics Letters.

- 2017. - T. 42. - №2. 8. - C. 1572-1575.

[74] Zhu G. et al. Research progress of gallium nitride microdisk cavity laser

//Frontiers in Materials. - 2022. - T. 9. - C. 845885.

[75] Cognée K. G. et al. Cooperative interactions between nano-antennas in a high-

Q cavity for unidirectional light sources //Light: Science & Applications. -2019. - T. 8. - №. 1. - C. 115.

[76] Moiseev E. I. et al. Light outcoupling from quantum dot-based microdisk laser

via plasmonic nanoantenna //Acs Photonics. - 2017. - T. 4. - №2. 2. - C. 275281.

[77] Kryzhanovskaya N. et al. Enhanced light outcoupling in microdisk lasers via

Si spherical nanoantennas //Journal of Applied Physics. - 2018. - T. 124. -№. 16.

[78] Pidgayko D. et al. Radiation outcoupling from microdisk lasers via dielectric

resonant nanoantennas //Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications. - 2022. - T. 52. - C. 101081.

[79] Choi S. J. et al. Microdisk lasers vertically coupled to output waveguides

//IEEE Photonics technology letters. - 2003. - T. 15. - №. 10. - C. 13301332.

[80] Mandorlo F. et al. Full CMOS compatible III-V Microdisk tunable CW lasers

for on chip optical interconnects //2011 1st International Symposium on Access Spaces (ISAS). - IEEE, 2011. - C. 299-303.

[81] Min B. J., Kim Y. J., No Y. S. On-Demand Waveguide-Integrated Microlaser-

on-Silicon //Applied Sciences. - 2023. - T. 13. - №2. 16. - C. 9329.

[82] Guilhabert B. et al. Hybrid integration of an evanescently coupled AlGaAs

microdisk resonator with a silicon waveguide by nanoscale-accuracy transfer

printing //Optics Letters. - 2018. - T. 43. - №. 20. - C. 4883-4886.

[83] Lv X. M. et al. Unidirectional-emission single-mode AlGalnAs-InP

microcylinder lasers //IEEE Photonics Technology Letters. - 2012. - T. 24.

- №. 11. - C. 963-965.

[84] Yang Y. D. et al. Direct-modulated waveguide-coupled microspiral disk lasers

with spatially selective injection for on-chip optical interconnects //Optics Express. - 2014. - T. 22. - №. 1. - C. 824-838.

[85] Chin M. K., Ho S. T. Design and modeling of waveguide-coupled single-mode

microring resonators //Journal of lightwave technology. - 1998. - T. 16. -№. 8. - C. 1433-1446.

[86] Liu D. et al. Increasing the coupling efficiency of a microdisk laser to

waveguides by using well designed spiral structures //Journal of Applied Physics. - 2010. - T. 107. - №. 4.

[87] Pan D., Towe E., Kennerly S. Normal-incidence intersubband (In, Ga)

As/GaAs quantum dot infrared photodetectors //Applied Physics Letters. -1998. - T. 73. - №. 14. - C. 1937-1939.

[88] Wu J. et al. Quantum dot optoelectronic devices: lasers, photodetectors and

solar cells //Journal ofPhysics D: Applied Physics. - 2015. - T. 48. - №. 36.

- C. 363001.

[89] Li S S and Tidrow M Z 1998 Photonics China'98 pp 97-111

[90] Jiang J. et al. High detectivity InGaAs/InGaP quantum-dot infrared

photodetectors grown by low pressure metalorganic chemical vapor deposition //Applied Physics Letters. - 2004. - T. 84. - №. 12. - C. 21662168.

[91] Chakrabarti S. et al. High-performance mid-infrared quantum dot infrared

photodetectors //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2005. - T. 38. -№. 13. - C. 2135.

[92] Martyniuk P., Krishna S., Rogalski A. Assessment of quantum dot infrared

photodetectors for high temperature operation //Journal of Applied Physics.

- 2008. - T. 104. - №. 3.

[93] Stiff A. D. et al. High-detectivity, normal-incidence, mid-infrared 4 ^m)

InAs/GaAs quantum-dot detector operating at 150 K //Applied Physics Letters. - 2001. - T. 79. - №№. 3. - C. 421-423.

[94] Wang S. Y. et al. High performance InAs/GaAs quantum dot infrared

photodetectors with AlGaAs current blocking layer //Infrared physics & technology. - 2001. - T. 42. - №№. 3-5. - C. 473-477.

[95] Wang S. Y. et al. Low dark current quantum-dot infrared photodetectors with

an AlGaAs current blocking layer //Applied Physics Letters. - 2001. - T. 78.

- №. 8. - C. 1023-1025.

[96] Lin S. Y., Tsai Y. J., Lee S. C. Effect of silicon dopant on the performance of

InAs/GaAs quantum-dot infrared photodetectors //Japanese journal of applied physics. - 2004. - T. 43. - №№. 2A. - C. L167.

[97] Tang S. F., Lin S. Y., Lee S. C. InAs/GaAs quantum dot infrared photodetector

(QDIP) with double Al/sub 0.3/Ga/sub 0.7/As blocking barriers //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2002. - T. 49. - №2. 8. - C. 1341-1347.

[98] Chen G. et al. High-Speed Photodetectors on Silicon Photonics Platform for

Optical Interconnect //Laser & Photonics Reviews. - 2022. - T. 16. - №2. 12.

- C. 2200117.

[99] Sandall I. et al. 1300 nm wavelength InAs quantum dot photodetector grown

on silicon //Optics express. - 2012. - T. 20. - №2. 10. - C. 10446-10452.

[100] Huang J. et al. Defect characterization of InAs/InGaAs quantum dot pin photodetector grown on GaAs-on-V-grooved-Si substrate //ACS Photonics.

- 2019. - T. 6. - №2. 5. - C. 1100-1105.

[101] Tossoun B. et al. Indium arsenide quantum dot waveguide photodiodes heterogeneously integrated on silicon //Optica. - 2019. - T. 6. - №2. 10. - C. 1277-1281.

[102] Wan Y. et al. Monolithically integrated InAs/InGaAs quantum dot photodetectors on silicon substrates //Optics express. - 2017. - T. 25. - №2. 22. - C. 27715-27723.

[103] Chen B. et al. Low dark current high gain InAs quantum dot avalanche

photodiodes monolithically grown on Si //Acs Photonics. - 2020. - T. 7. -№. 2. - C. 528-533.

[104] Novack A. et al. Germanium photodetector with 60 GHz bandwidth using inductive gain peaking //Optics express. - 2013. - T. 21. - №. 23. - C. 28387-28393.

[105] Zhukov A. E. et al. Frequency response and carrier escape time of InGaAs quantum well-dots photodiode //Optics Express. - 2021. - T. 29. - №2. 25. -C. 40677-40686.

[106] Tossoun B. et al. 32 Gbps heterogeneously integrated quantum dot waveguide avalanche photodiodes on silicon //Optics Letters. - 2021. - T. 46. - №. 16. - C. 3821-3824.

[107] Baklenov O. et al. Multi-stacked quantum dot resonant-cavity photodetector operating at 1.06 [im //Electronics Letters. - 1998. - T. 34. - №2. 7. - C. 694695.

[108] Sun X. M. et al. High responsivity resonant-cavity-enhanced InGaAs/GaAs quantum-dot photodetector for wavelength of~ 1 [m at room temperature //Electronics letters. - 2009. - T. 45. - №2. 6. - C. 329-331.

[109] Ozdemir C. I. et al. Low dark current and high responsivity 1020nm InGaAs/GaAs nano-ridge waveguide photodetector monolithically integrated on a 300-mm Si wafer //Journal of Lightwave Technology. -2021. - T. 39. - №. 16. - C. 5263-5269.

[110] Wang Y., Jiao Y., Williams K. Scaling photonic integrated circuits with InP technology: A perspective //APL Photonics. - 2024. - T. 9. - №2. 5.

[111] Yoo S. J. B. Hybrid integrated photonic platforms: opinion //Optical Materials Express. - 2021. - T. 11. - №2. 10. - C. 3528-3534.

[112] Wei W. Q. et al. InAs/GaAs quantum dot narrow ridge lasers epitaxially grown on SOI substrates for silicon photonic integration //Optics Express. -2020. - T. 28. - №. 18. - C. 26555-26563.

[113] Jiang P., Balram K. C. Suspended gallium arsenide platform for building large scale photonic integrated circuits: Passive devices //Optics express. -

2020. - T. 28. - №. 8. - C. 12262-12271.

[114] Siew S. Y. et al. Review of silicon photonics technology and platform development //Journal of Lightwave Technology. - 2021. - T. 39. - №2. 13. - c. 4374-4389.

[115] Wang Z. et al. Novel light source integration approaches for silicon photonics //Laser & Photonics Reviews. - 2017. - T. 11. - №. 4. - C. 1700063.

[116] Marinins A. et al. Wafer-scale hybrid integration of InP DFB lasers on Si photonics by flip -chip bonding with sub-300 nm alignment precision //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2022. - T. 29. - №2. 3: Photon. Elec. Co-Inte. and Adv. Trans. Print. - C. 1-11.

[117] Han Y. et al. Selectively grown III-V lasers for integrated Si-photonics //Journal of Lightwave Technology. - 2021. - T. 39. - №2. 4. - C. 940-948.

[118] Feng K. et al. Quantum dot lasers directly grown on 300 mm Si wafers: Planar and in-pocket //Photonics. - MDPI, 2023. - T. 10. - №2. 5. - C. 534.

[119] Li J. et al. III-V selective regrowth on SOI for telecom lasers in silicon photonics //Journal ofApplied Physics. - 2023. - T. 133. - №2. 13.

[120] Koester J. P. et al. Comparative study of monolithic integrated MMI-coupler-based dual-wavelength lasers //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2021. - T. 28. - №2. 1: Semiconductor Lasers. - C. 1-9.

[121] Walker R. G. et al. Optimized gallium arsenide modulators for advanced modulation formats //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2013. - T. 19. - №2. 6. - C. 138-149.

[122] Fricke J. et al. 980-nm DBR lasers using higher order gratings defined by i-line lithography //Semiconductor science and technology. - 2005. - T. 20. -№. 11. - C. 1149.

[123] Koester J. P. et al. GaAs-Based Photonic Integrated Circuit Platform Enabling Mono-lithic Ring-Resonator-Coupled Lasers.

[124] F. Zubov, M. Maximov, E. Moiseev, A. Vorobyev, A. Mozharov, Yu.

Berdnikov, N. Kaluzhnyy, S. Mintairov, M. Kulagina, N. Kryzhanovskaya and A. Zhukov, Opt. Lett. 46 (16), 3853-3856 (2021).

[125] L. A. Coldren, S. W. Corzine, and M. L. Mashanovitch, "A phenomenological approach to diode lasers," in Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, K. Chang, Ed., 2nd ed. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2012.

[126] T. Amano, S. Aoki, T. Sugaya, K. Komori, and Y. Okada, "Laser characteristics of 1.3-jm quantum dots laser with high-density quantum dots," IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 13, no. 5, pp. 1273-1278, Sep./Oct. 2007

[127] L. F. Lester et al., "Optical characteristics of 1.24-jm InAs quantum-dot laser diodes," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 8, pp. 931-933, Aug. 1999

[128] G. T. Liu et al., "The influence of quantum-well composition on the performance of quantum dot lasers using InAs-InGaAs dots-in-a-well (DWELL) structures," IEEE J. Quantum Electron., vol. 36, no. 11, pp. 12721279, Nov. 2000.

[129] A. Salhi et al., "High-modal gain 1300-nm In(Ga)As-GaAs quantum-dot lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 18, no. 16, pp. 1735-1737, Aug. 2006.

[130] M. T. Todaro et al., "High-performance directly modulated 1.3 jm undoped InAs-InGaAs quantum-dot lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, no. 4, pp. 191-193, Feb. 2007.

[131] A. Salhi et al., "Enhanced performances of quantum dot lasers operating at 1.3 jm," IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., vol. 14, no. 4, pp. 11881196, Jul. 2008.

[132] A. R. Kovsh et al., "InAs/InGaAs/GaAs quantum dot lasers of 1.3 jim range with high (88%) differential efficiency," Electron. Lett., vol. 38, no. 19, pp. 1104-1106, 2002.

[133] V. B. Braginsky, M. L. Gorodetsky, and V. S. Ilchenko, "Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes," Phys. Lett. A,

vol. 137, nos. 7-8, pp. 393-397, 1989.

[134] D. S. Weiss, V. Sandoghdar, J. Hare, V. Lefevre-Seguin, J.-M. Raimond, and S. Haroche, "Splitting of high-Q Mie modes induced light backscattering in silica microspheres," Opt. Lett., vol. 22, no. 18, pp. 1835-1837, 1995.

[135] M. Gorodetsky, A. Pryamikov, and V. Ilchenko, "Rayleigh scattering in high-Q microspheres," J. Opt. Soc. Amer. B, Opt. Phys., vol. 17, no. 6, pp. 1051-1057, 2000.

[136] Ф.И. Зубов, Э.И. Моисеев, Г.О. Корнышов, Н.В. Крыжановская, Ю.М. Шерняков, А.С. Паюсов, М.М. Кулагина, Н.А. Калюжный, С.А. Минтаиров, М.В. Максимов, А.Е. Жуков, Особенности вольт-амперной характеристики микродисковых лазеров на основе квантовых ям-точек InGaAs/GaAs, ПЖТФ 45(19), 37-39 (2019)

[137] A. N. Al-Omari and K. L. Lear, "VCSELs with a self-aligned contact and copper-plated heatsink," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 9, pp. 1767-1769, Aug. 22, 2005

[138] P. P. Baveja et al., "Assessment of VCSEL thermal rollover mechanisms from measurements and empirical modeling," Opt. Exp., vol. 19, no. 16, pp. 15490-15505, 2011.

[139] Srinivasan K., Painter O., Mode coupling and cavity-quantum-dot interactions in a fiber-coupled microdisk cavity, Physical Review A. 75 (2) (2007) 023814.

[140] Cai M., Painter O., Vahala K. J., Sercel P. C., Fiber-coupled microsphere laser, Optics letters. 25 (19) (2000) 1430-1432.

[141] Pirogov V.V., et al., Numerical simulation of optical coupling between a microring resonator and a directly connected straight waveguide, Journal of Physics: Conference Series - IOP Publishing. 2086 (1) (2021) 012162.

[142] N. Yu. Gordeev, M. V. Maximov, A. S. Payusov, A. A. Serin, Y. M. Shernyakov, S. A. Mintairov, N. A. Kalyuzhnyy, A. M. Nadtochiy, and A. E. Zhukov, "Material gain of InGaAs/GaAs quantum well-dots," Semicond. Sci. Technol. 36, 015008 (2020).

[143] D. Liang, M. Fiorentino, S. Srinivasan, J. E. Bowers, and R. G. Beausoleil, "Low threshold electrically-pumped hybrid silicon microring lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 17(6), 1528-1533 (2011).

[144] W.-Q. Wei, A. He, B. Yang, Z.-H. Wang, J.-Z. Huang, D. Han, M. Ming, X. Guo, Y. Su, J.-J. Zhang, and T. Wang, "Monolithic integration of embedded III-V lasers on SOI," Light Sci. Appl. 12, 84 (2023).

[145] A. Markus, and A. Fiore, Phys. Stat. Sol. (a) 201, 338 (2004).

[146] F. I. Zubov, E. I. Moiseev, A. M. Nadtochiy, N. A. Fominykh, K. A. Ivanov, I. S. Makhov, A. S. Dragunova, M. V. Maximov, A. A. Vorobyev, A. M. Mozharov, S. A. Mintairov, N. A. Kalyuzhnyy, N. Yu. Gordeev, N. V. Kryzhanovskaya, and A. E. Zhukov, "Improvement ofthermal resistance in InGaAs/GaAs/AlGaAs microdisk lasers bonded onto silicon," Semicond. Sci. Technol. 37, 075010 (2022).

[147] I. Pisarenko and E. Ryndin, "Numerical drift-diffusion simulation of GaAs p-i-n and Schottky-barrier photodiodes for high-speed AIIIBV on-chip optical interconnections," Electronics 5(4), 52 (2016).

[148] V.V. Nikolaev, E.A. Avrutin. IEEE J. Quant. Electron., 39 (12), 1653 (2003).

[149] W.H. Chang, W.Y. Chen, T.M. Hsu, N.T. Yeh, J.I. Chyi. Phys. Rev. B, 66 (19), 195337 (2002).

[150] A.O. Goushcha, B. Tabbert. Opt. Eng., 56 (9), 097101 (2017).

[151] S.A. Mintairov, N.A. Kalyuzhnyy, V.M. Lantratov, M.V. Maximov, A.M. Nadtochiy, S.A. Ruvimov, A.E. Zhukov. Nanotechnology, 26 (38), 385202 (2015).

[152] Insights into High-Speed Detectors and High-Frequency Techniques https://www.newport.com/n/insights-into-high-speeddetectors-and-high-frequency-techniques

[153] I. Krestnikov, D. Livshits, S. Mikhrin, A. Kozhukhov, A. Kovsh, N. Ledentsov, A. Zhukov. Electron. Lett., 41 (24), 1330 (2005).

[154] A. McWilliam, A.A. Lagatsky, C.T.A. Brown, W. Sibbett, A.E. Zhukov, V.M. Ustinov, A.P. Vasil'ev, E.U. Rafailov. Optics Lett., 31 (10), 1444

(2006).

[155] Крыжановская Н. В. и др. Микрооптопара на базе микродискового лазера и фотодетектора с активной областью на основе квантовых ям-точек //Письма в Журнал технической физики. - 2020. - Т. 46. - №2. 13. - С. 7-10.

Тексты публикаций

Journal of

Applied Physics AimCLE

lll-V microdisk lasers coupled to planar waveguides

Cite as: D. Appl. Phys 134. ! 03101 (2023); Hoi: 1010r5/5 0165279 Submitted; 27 June 2023 Accepted; 13 August 2023 Published Online; 11 September 2023

ch &

N. V. Kryzhanovskaya, 1 K. A. Ivanov, N. A. Fominykh.1 S. D. Komarov,1 I. S. Makhov, E, I. Moiseev, Э. A, Cuseva, M. M. Kulagína, S. A. Mirvtairov, N. A. Kalyuzhnyy, A. I. Líhachev, R. A. Khabibullin, R. R. Galiev. A. Yu, Pavlov, К N Tomosh, M. V. Maximov, and А Ё. Zhukov

AFFILIATIONS

'international i aooratoiyfii Quantum Optoelectronics, Univei&ity, St„ Piitersbu*913G00Sf Russia 2(offe institute, Si. Petersburg 194021. Russia -'iUHFSE RAS, Moscow 117105, Russia

"NanophQtDrtics Laboratory. Alferoy Univer.srt.y, S L Petersburg Russia

^Author to whom correspondence should be addressed:

ABSTRACT

We report 011 lnGaAs/GaAs quantum dot injection microdisk lasers laterally connected with a bus waveguide fabricated by planar technology trow the same epi Structure, Various coupling schemes of microlaser with waveguide are studied including a microliter attached to a waveguide (zero gap), a LOU urn gap lor evanescence light. outcoupLmg, and with a waveguide surrounding the resonator. lite modes outcou pling and microiascr's loss (Q-factor) are analyzed by simulation of the lasers. A strong decrease in the number of die microdisk resonance lines associated with an increase in loss in the resonator due to t.lie coupling with waveguide is observed in modeling and experimentally. We study tltc spectral and lading parameters of the microdisk lasers, as well as characteristics of the outcou pled emission, and demonstrate efficient lighl outcoupiing for 30 and 40^m diameter continuous wave operating microdisk laser up to "C.

Published under an exclusive lineme by AIP Publishing. 111! |■ ■■.'L .v 1 j .m >■.' iii.llm • ;.')i t-<c ! >

INTRODUCTION

Semiconductor quantum dot microdisk (MP) lasers are very promising as an effective source of coherent light for photonic integrated circuits used for optical signal processing, telecommunications, sensing, and other applications. Due to the high Q factors achievable in the disk resonators, they possess small footprint and low power consumption. They can be fabricated using simple technology- and they provide in-plane light output Laser emission can lie transferred to other optical components by open channel and by vertical or lateral coupling with closely .spaced waveguide, ' The vertical integration of a microdisk laser with a waveguide was realised with a silicon 011 insulator (SOI) substrate using Si/Ge hei ¿restructures or by hybrid integration of III V laser wilh SOI using bonding. In Ref. the authors used an tll-V laser grown on an lr»P substrate with TnAlGaAs-based multiple quantum wells; in Kef. 1 L an InAsP/lnGaAsP microdisk laser was used. In the latter case, in order to avoid excessive overheating of the InAsP/InGaAsP based structures, the pulsed regime of electrical

pumping was used. The typical vertical coupling distance is 100-15011m and can be Luned by appropriate SOI substrates.

Although achieving the same small gap size for lateral alignment of the disk and waveguide is a more difficult task, this way allows the use of various integration methods other than molecular bonding. Lateral integration oi passive AIGaAs micro resonators wilh pre-processed silicon waveguides using a transfer printing technique was demonstrated in Ref. 1 L More accurate alignment of the laser and waveguide can be achieved by forming both the laser and the waveguide from a single epitaxial structure, GalnAsP/lr.P injection microdisk lasers laterally coupled to a bus waveguide (WG) were demonstrated in Ref. 1 . The authors noticed that the output power is limited by tl>e absorption loss in tlie waveguide as it has the same quantum wet) structures with tlie microdisk cavity and by weak coupling efficiencies between tlie microdisks and the output waveguide. AlGalnAs/InP microcylinder lasers connected with an output waveguide were fabricated by planar technology in Refs. I J- and 1 ^ An increase in the output power coupled to the

J Appl Phys 134,103101 (2023); itoi 10.1063/5 0165279 Published urdir art exclusive license by AP Publishing

134,103101-t

Journal of

Applied Physics ARTICLE pubs.aip arg/aip/jap

microlasers was collected by focusing the objective on the laser under study or on the end of the waveguide. For visualization, we used a 50:50 beam splitter and a camera (Toupcam). The EL spectra were registered using an optical spectrum analyzer (Yokogawa AQ 6370C). The schematics of the setup are presented in N;-'( 1

The simulation of the lasing spectra was carried out using a finite element method as realized in the COMSOI. package. The only feasible option due to die prohibitive amount of computation for a full 3D geometry of this size was to use 2D pLanar geometry, so any optical confinement in the growth direction as well as any possible issues of etching non-uniformity were left out of the calculations. However, the simulation was used primarily to observe the evolution of the optical modes' spectra when the waveguide is introduced, and its parameters are manipulated as described above. All the variants (the presence or absence of the waveguide, the distance between it and a disk, and a degree of its curvature if present) were simulated. The eigerunodes of the wave equation were searched for around 1055 nm wavelength; the corresponding eigenlrequencies were complex numbers. Due to the large number of WGMs in a disk and waveguide modes in a waveguide of the chosen thickness, all the modes were concentrated in a very narrow spectral range of several nanometers. Of course, only a handful of Lhose have sufficiently high Q factor to become lasing modes; furthermore, several of those are wraveguide modes and so had to be discarded. Al the simulation results processing stage, we have picked the WGMs, calculated their radial order as the number of maxima» and their quality factors as ratios of a frequency real part to the imaginary part. Then, the quality factors were adjusted for internal and surface losses. Since it is meaningless to modify the geometry for surface roughness or other losses, we chose to use a different approach the final quality facLor was calculated as

where

t <&•

1 Tin

Q ¡im = — I

Äa

11)

(2)

with n being the refractive index of the active region and a being the internal loss. The latter was taken equal to 3 cm-', which was

determined from the experimental dependence of the external differential efficiency on the cavity length for Fabry-Perot lasers made from the same epitaxial structure.

Afterward, we picked several modes with the highest adjusted quality factors and fixed radial orders that were present in all the geometry configurations and studied the evolution of their quality factors as functions of the geometry parameters, e.g., the envelope angle of the waveguide.

RESULTS AND DISCUSSION

First, we study the room temperature characteristics of single (unloaded) microlasers with the same cavity diameters of 20-40//m, made in the same process, standing sqoaratelv without waveguides. Light-current (L-l) dependencies are presented in Rg 3(a), For each laser, an increase in the pump current leads to a nonmonotonic increase in the optical power with a knee on the L-l curve that reveals lasing threshold in the mA-range. With an increase in the diameter of microlaser, a decrease in the threshold current density is observed, while the threshold current In, increases [Fi$; !h>]. The obtained values of Ij, for the diameters studied can be fitted by ~l/d dependence indicating lower loss and/or smaller effect of non-radiative surface recombination in lasers of a larger diameter.

The emission spectra of those lasers obtained at an injection current corresponding to I = 21^, (twice the lasing threshold) are shown in I ig I, It can be seen that the spectra contain several resonances corresponding to different modes supported by the resona- ^ tor and the spectral position of the resonances is rather chaotic. ¡Jj Such a rich spectral composition is formed due to the high gain ~ achievable with the active region based on InGaAs/GaAs QDs I used. As shown in Ref. , the saturated material gain per one layer u of such QDs is as high as 1.5 x I04cm-1 Another reason for the £> large number of resonances is the presence in the disk resonator of ^ modes of different radial order, the Q-factor of which is high S enough for lasing to occur.

The spectra of microlasers coupled to the waveguides (in all configurations under study) become orderly and contain only equidistant resonant lines [Fi^. i> j)J. The intermodal distance corresponds to the free spectral range of the WGM having the same

D-30pm

3 ■ ■■ A ■ A

A

T» T *

A

• A •

• • • » Î <

H T T

•

»»

L0S5.0 h. nm

k'.....

D=40 nm_

1 r'T

V

s

#

1055.0 X, nm

■ no WG

v A=10C(nn

A A-50 nin

# A=0 nm

fig. 6. Adjusted quality factors of WGM modes vs their wavelengths for disks of 30 and 40,i/m diameter. Different symbols denote different waveguide placemen i. black circles—no waveguide and red tnangles, blue dots, and green asterisks—a straight waveguide at 100, 50, and 0 nm distance from the disk.

J. Appl Phys. 134,103101 (2023); doi 10 1 063/50165279 Published under an exclusive license by AIP Publishing

134» 103101-5

Journal of

Applied Physics ARTICLE pubs.aip org/aip/jap

N single 40 >m dish O coupled to WG 40 pm disk;

O

E o

«:

40 50 60 70 80 Temperature (°C)

fig. 13. Temperature dependences of threshold current densities for 40/im diameter lasers: single laser (closed symbols), coupfed to a waveguide with 20" wrap (open symbols) and approximation by 1 = 1-,, exp(T-25)/To function (solid line).

shift depending on the electric pump power for '30 mm diameter laser, taking into account the temperature coefficient AX/AT of 0.075 nm/K [fig. 12(a)], which is in good agreement with the already known values. Thus, at cw operation, the laser can be heated by more than 10 °C relative to the environment. To study the temperature stability of the laser characteristics further, we heated the sample mount up to 110°C. Lasing of 40fira diameter MD laser coupled to a waveguide is observed up to 96 °C. flig i 2(b)], To the best of our knowledge, the maximum lasing temperature demonstrated so far for waveguide-coupled microdisk/microring lasers does not exceed 60 °C. 1 The improved temperature stability in our work is realized through the use of a GaAs-based quantum dot in the active region that provides deeper localization of carriers in the active region compared to InP-based devices. It is also worth comparing tliis result with Ref. 2 1, where the operation of an InAs/GaAs QD stripe laser on a silicon-on-insulator butt-coupled to a silicon waveguide up to 85 °C was demonstrated.

We also compared temperature behavior for single 40//m diameter laser and 40/¿m diameter laser coupled to a waveguide with 20° wrap (I 13). We ohserve that the coupling does not affect the threshold current in the whole temperature range and the dependences have similar behavior As the temperature grows, the threshold current increases from mA (650 A/cm2) at 25 "C to ~33 mA (2500 A/cm") at 96 "C for both single 40pm diameter laser and 40¿mi diameter laser coupled to waveguide. A characteristic temperature To of 85 K is derived lor the temperature interval 20 80 °C.

To summarize, the emission characteristics of 30 and 40 fim diameter InGaAs/GaAs quantum dots' MD lasers coupled to waveguide processed from the same epi-structure and active region with InGaAs/GaAs quantum dots are investigated for the various coupling designs. Light outcoupling to waveguide and routing is

observed for all coupling geometries studied. The proposed method for light outcoupling is low cost, easy for fabrication, and robust to fabrication imperfections. Our study demonstrates that there is no need for such a challenging step as the precise formation of a deep air gap between the laser edge and the waveguide. The lasing is obtained even in the presence of conjunction between the laser and the waveguide. The stronger coupling of the laser cavity to the waveguide affects the threshold characteristics of a 30 ftm diameter laser. The initial Q-factor of a 40//m laser is so high that even a 20" envelope, at which the output power increases by an order of magnitude, does not lead to a change in the threshold current. A further increase in the loading loss by an increase in the envelope angle to 45° does not increase the output power due to worsening of the laser threshold characteristics.

We also show that the presence of QDs in the waveguide does not fully prevent the propagation of light and does not lead to complete absorption of the propagating laser radiation at least for the waveguide length of 440win. High temperature stability of lasing parameters is maintained even when loaded with a waveguide. Lasing up to 96 "C is demonstrated in the microlaser coupled to bus waveguide for the first time.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was funded by the Russian Science Foundation (Grant No. 22-72-10002, ImpW/rsd in/^ft/¡>r..ien.'122-72-100024 Support of optical measurements from the Basic Research Program ___ of the National Research University Higher School of Economics is ^ gratefully acknowledged. SEM characterization was performed s. using equipment owned by the Federal joint Research Center | ^Material Science and Characterization in Advanced Technology." ,o The work was carried out on the equipment of the unique scientific u> facility No, 2087168 "Complex Optoelectronic Stand." p

AUTHOR DECLARATIONS Conflict of Interest

The authors have no conflicts to disclose.

Author Contributions

N. V. Kry2hanovskaya: Conceptualization (equal); Investigation (equal); Writing original draft (equal). K. A. Ivanov: Data duration (equal), Formal analysis (equal). N. A. Foininykh: Data cura-tion (equal); Investigation (equal); Writing original draft (equal). S. D. Komarov: Data curation (equal); Investigation (equal); Writing - original draft (equal). I. S, Makhov; Data curation (equal); Investigation (equal); Writing - original draft (equal). E. 1. Moiseev: Investigation (equal). J. A. Guseva: Investigation (equal). M. M. Kulagina: Investigation (equal). S. A. Mintairov: Investigation (equal). N. A. Kalyuzhnyy: Investigation (equal). A. 1. Lihachev: Investigation (equal). R. A. IChabibullin: Investigation (equal). R. R. GaJiev: Investigation (equal). A, Yu. Pavlov: Investigation (equal). K. N. Tomosh: Investigation (equal)-M. V, Maximov: Investigation (equal), A. £. ZJiukov: investigation (equal).

J Appl Phys. 134,103101 (2023); doi 10 1 063/50165279 Published under an exclusive license by AIP Publishing

134,103101-9

Journal of

Applied Physics AflTTlCLE

DATA AVAILABILITY

The data that support the findings of this study arc available from the corresponding author upon reasonable request.

REFERENCES

Me20si, M. F, Strain, S. 3-'urst, and. M Sorel, "Bistable micro ring lasers with compact footprint and high output cflfiacncy," ' j : I '^cann'ca F n-.-ui. 48£S), 1023-1 030 {2012).

Dhingra, A I. Muhowski, B. D. Li, Y, Sun, R. D. Hool. D. Wasserman, and M. L I.ce, "low-threshold visible EnP qnantum dot and InGaP quantum well Users grown by moieeular C-eam epitaxy.' i. , 133(10), 103101 f2023).

*W. W. Wong, C, Japsdish, and H. H. Tan, 'TIL- V semiconductor whispering gallery mode micro cavity lasers; Advances and prospects/' . ' ' 1 ijuantum : Irrlr.-.n 5S(4), I IS (2022).

*£L Stock, ll Albert C. Hopfasann, M. C. Schneider, S. Kofllng,

A. Forchel, M. Kamp, iiiwi Sl Reitaemtein, "On drip quantum optics with quantum dot mirnocavities/ uv. M .■>.,.•.- 25, 707-710 (201.1). P. Mnnndly, T. Heinfle), A, Thorns, M, Kamp, S, Hrtfting. C. Schneider. and S_ Rei 12« «stein, "Electrically tumble single-pholun suurve IrigEefetS by a monolithi cally integrated quantum dot mfootasoV* AO :• ¡oi->nis4(4), 790 79'i (2017).

Wan, Z Zhang, R. Chao, J. Norman, D- Jung, C, Shang, Q. U, M. ). Kennedy. D. Liang, C. Zhang. l.-W. Shi. A. C_ Gnssard. K. May Liu. and J, 3L Bowers, "Monolilhitally integrated IiiAs/liiGaAs quantum dot photodetec tors on silicon substrates," Up I. i.-.v, 35,27715 (2017). TW. XiV, 7, Stffcrl«. G, Rainfr, T. A uteri, S, Biischcf, Y, Zhu, R. F. Maflrt, P. Geircgal, c. Brainis, 2. Heris, and D„ Van Thourhou^ "On-chip Integrated quantum-dot-silicon* n rtride micnxlisk lasers, M.,i,i 29,1604866(2017). ®P, Turn, F. Manv.ano, L Carusottn, M. GbuJinyan, G. Pucker, and L_ PavesI, "Wavelength dependence of a vertically coupled resonator-waveguide system." I. ■ ¿gntm •■ ! M-» 34, 53S5 5390 (2016).

"X. Xu, T. Maruizumi, and Y. Stiiraki, "Waveguide integrated microdisk light emitting diode and photodelector based on Ge quantum dots," i 'pi. «. 22,

3302-3^10 (2014).

10D. Liang, M Horentino, S. Sriiiivasan, J. IL Boivers,and R. G. Beausoleil, "Low threshold electrically pumped hybrid silicon micmring lasers,' I ' . p

i luantnu; r.;nclM*j 17(6). 152»-1533 (2011),

1TF. Mandorla, P. Roio-Romeo,. L, Feirier, J.-M- Fedeli, and N. Oliver, "Pull CMOS compatible III V tnicrodjsk tunable CVV lasers for on chip optical inter connects," in 2011 J¿f bilernahciai Symposiwn Accas Spaces (1$A$X YoLihimu, Japan (IEEE, 2011), pp. 239-i03.

12Bu Guilhabert, ]. Mc Phil limy, S. May, C. Wilis, M. D, Dawson, M Sure!, and M. Strain, * Hybrid integration ol an evamescently cuupled AlGaAs microdisk resonator with a silicon waveguide by nanost ale-accuracy transfer printing," l.tpr n 43fc 4KK3-5««ft (201«),

,3L. X Zou, X. M. Lv. Y. Z. Huang, H. Long, Q. F. Гш and Y, Du, "four'wavelength uucixidihk lasers Jateraiiy coupling lo an oulpul bus waveguide," I ipt. iilonlci : 03(2B), 66-6S (2013).

UX.-M. LVk Y.-2, Huang, Y-D. Yang, H. Long, L.-X_ Zou. QA'. Yao^ X. tin, J.-L Xiiio. and Y. Du, 'Analysis of vertical radiation loss and tar-fid d pattern tor mlrrofylindcr lasers with an output wAveguide." r1 i'1" 160^-16074 (2013),

1SX, M- Lvk L X Zou, I- D. Un, Y. Z. Huang. Y. D. Yan^ Q. F. Yat\ I L XJap. and Y. Du, "Unidirectional emission single mode AlGainAs ¡nE' micnxylinder

lasers." rT-L" Phn......... -...... 24(11), 463-i»iS5 (2012^.

16Y.-ll. Yang, Y. Zhang, Y. Z biuang, antl W. ¡'«xin, "Din.-ct-modulated vvaveguitie-coupkd micnjspliai disk lasers with sjiatially selectivfe infection for on chip optical inleaoruiecb," Up I. t лрг-...: 22, S2-t S38 (2014).

М- K. Chin and S. T. Ho, "Design and modeling uf waveguide-coupled Single-mode microring resonators," 1 i .1' . • i i 16ffi), N33-1446 (179«),

,eS. I, Cltoi, K- DjorUjev, Я J, Choi, and Is, D, Dapkus, "Microdisk lasers vertically coupled to output ^raveguides," IEEE Photonics Technol. Lett. 15(10), 1330 1 332 (2003). doi;|0.1 l09/I-PT,2003.&l7m

Iex-M Lv. Y.-Z- Huang, T_-X- Zou. TI. Long, and Y. Du, "Optimisation of direct modulation rate for circular mieiulaaers by adjusting mo«lr Q lactor,"

f*r ^'i.thnii. : 4r • 7, Ш 823 (2015k ZCA t. Znukov, N. V. Kryrtsanovskija, ii 3. Mutieev, A. M. Kadtodiiy, A. S. DragunosM, XL V. Maximov, lr. I. Zubov, S. A. Kadinskaya, Y. Serdnikov, M. M. Kniagina, A. Mintairov, and N, A. Kalytr/hnyy, "Tttipad of self-bearing: mid elevalcd temperature on performance of quantum dot tnicrudiik lasers," li'ff ) . <!.*(,mm ' i« nun S<K5), I (2020),

2'A H Zliukov, H. 1. Moiseev, A. M. Nadtochiy, N. A. i'oialnykh, K. A Ivanov, I S. Makbov, M. V. Maximov, V. G. Dunrovskii, F. I 7uhm, Я A. Mintairov, N. A, Kalynzhnyy, N. Yu. Gordeev, Y. M. Shcmyakov, and . N. V. Kryzhanovskaya, ^Optical loss in microdisk lasers with dense quantum dot Cn arrays," lllrlL J-uiMTituhi ^'дя, 5SK1), 1 S (2023).

22N. Yu. Gonleev, M V. MiiJtimov, A. S. Payusov, A A. Serin, ^ Y, M. Shemyakov. S. A. Mintairov, N. A. Xalyuahnyy, A M Nadtochiy, and ^ A E- Zhukov', "Material gain uf tnGa.\s,'GaAs quanlum well-dots," Sen'-к и и-1- у I 36,01500S (2020). й

I3P. L Zubw, E, L Molseev, A. M Nadtochiy, N. A Forninykh, K. A. Ivanov, 5 I. S. Makhov, A S. Dragunova, M V. Masimov, A. A Vorobyev, § A. M. Modiaiw, S. A. Mmlairov4 N. A Kaiyuzhnyy, N. Yu. Gonieev, N- V. rCry7_hanovskaya. ami A E. Zb.ukiw, "Improvement of thermal n'si stance in TnGiAs/GaAs/AlGaAs microdisk lasers bombed onto silicon," - niaw. s. i

............ 37, 075010 (2022),

M\V. Q. Wei. A. He, B. Yang, %,H, Wang, J.-Z. Huang, D. Han, M Ming, X. Guo, Y. Su, J. 1. Znang, and '1\ Wang, ' Monolithic integration of embedded U1 V lasers on SOS," ч" " ■ Ч'р1 (£023).

J. Aopl Pl*ys 134,103101 (2023);.№■ 10.1063/5 0165279 134,103101-10

Published under an exclusive license by A P Publishing

EKB JOURNAL OF QUANTI 'M El ,KÍTRONlCS. VOI> NO. 1. FKBK1 'ARY "W3

Optical Loss in Microdisk Lasers With Dense Quantum Dot Arrays

Alexey L Zhukov^, Bduard I. Moiseev1- , Alexey M. Nadtochiy . Nikita A. Fominykh, Konstantin A. Tvanov1 Ivan S. Makhov^ . Mikhail V, Maximov, Fedor 1. Zubov , Vladimir G. Dubrovskii, Sergey A. Min£airoV*\ Ntkolay A. Kalyuzhnyy, Nikita Yu Gordeev. Yuri M. Shernyakov, and Natalia V. Kiyzhanovskuya

Abstract—We discuss the origin of optical losses in microdisk laws with a flense array of InCíaAs quantum dots In Hie active region. In particular* we slmly Hie effect of microlaser diameter I> variation Iri mi 15 lo 200 fan oil optiral lasses of differed I nature. A strong dependence of the lasing wavelength on the diameter is observed; the blue-shift with decreasing disk size implies an increase in optical losses, although in lite case of an it leal cylinder* a noticeable optical hw.s should appear only at diameters comparable lo the wavelength of light, A comparison of the spectral characteristics of micro!osera with those of broad-area stripe lasers, for which optical loss can be easily found, gives a tool to evaluate optical loss In microdisk lasers, which was found to be unexpectedly high, ll changes o. D""1 from ^11)0 cm"1 in Ihc smallest mierolasers lo ^ 5 cm in the largest ones, Several possible physical mechanisms of the appearance of optical kisses in microlasers are considered, such as radiative loss due to the curvature of the cylindrical cavity, free carrier absorption, light scattering due lo roughness of Uie side wails* and absorption of light in the near-surface region. The latlcr type of optical loss was found to lie the dominant one and can explain the experimental results once lhe absorbing layer with a thickness of 2 /nil was suggested. Using the Gaussian approximation for Using the Gaussian approximation for the gain spectrum, the wavelength-1oss relationship was simulated ami a good agreement with the experimental dependence was found. The variation of the experimental results on optical loss for nominally identical microlasers was attributed to the variation of the scattering loss. The same reason can explain the scatter of the slope efficiency,

M<i mi.script received IS Jamiajy 2U22; revised 21 November 2022; accepted 12 December 2022. Dale of publicadou 14 December ¿022; dale of current version 27 December 2022. This work was supported by (he Russian ScicJiec Foundation under Giant 22 72 10002, 1illp*;Hr&cí,r u /e 11/ p io jeci/22 7240002/. The work of Vladimir G. Dubrov&kil was supported by Saint t-ttershurp, Stale University under (¡nuil 7574668S. I Co rrrsp flwtitig author: Alexey E. ZJiukov.)

Alexey E. Zhufcov, Eduard I Moiseev, Alexey M. Nadtochiy, Nikila A. Fominyklt. Kg tía ¡ml in A. tvrtnov, Ivan S. Midchov, and Natalia V. Kiyzhauov&kaya arc with Ü« International Laboxatoiy of Quantum Optoelectronics^ National Research University Higher School of Economics. 19000S Saint Petersburg, Russia (c mail, zhukak^gmail.tom),

Mikltail V. Maxiinpv and Fed or 1. Zubov arc with (he International

Laboratory oí Quantum OplaeleCtmiucs, NalianuJ Research IJnntnsity Higlier School oí Economics, IQOOOE Saint Pclcribuix, Rustra. and alio with ihc Ñau o photonics Laboratory, Alícmv UnivMBily, 19¿02 i Saint Petersburg, Russin,

Vladimir O, Dubrovskii i» with the Faculty of Physics. Saiut Petersburg State University. 19903d Saint Petersburg. Russia.

Sergey A. Vfrutairov, N'ikolay A. Kalyuzhnyy, Nikita Yu Gordeev, and Vun M. Sbcntyakov are with 0* lafte institute, 194021 Saint Petejsburji, Russia.

Color versions of one or more figures in line article an: available ai httpe.//d oi. org/10.1109/JQE .2022.322 9300.

Digital Object Identifier 10.1 UWJQt".2022.322WOO

0018 $107 $2022 IEEE. Personal use is permitted, but Set? hrtps://wwwi«e.org/publication s/m

which varies from ~ 0.03 lo 0.25 W/A being governed by the ratio of the scattering loss to the surface absorption Joss.

Index Terms—Diode lasers, microdisks, quantum dots, optical loss, light scattering.

I Introduction

THE use of self-organized quantum dots (QDs) as an activc region of injection microdisk and microring lasers [IJ, [2] represents a relatively new niche for them, where they can offer some advantages that are not available for other types oi semiconductor quantum-sized structures. Probably, the most important feature of QDs for microlaser applications is that the in-plane transport of charge carriers, which is tree in the case of quantum wells, is strongly suppressed due to carrier localization inside the QDs 13]. This results in a reduced sensitivity of QD-ba&cd lasers to defects caused by deep eIdling (through the waveguide and the activc region) [4] and opens the doors to microdisk lasers with diameters comparable to the light wavelength [51- For the same reason, QDs arc quite insensitive lo epitaxy-related defects, which are typical for materials grown on a non-parent, substrate: implementation of low-threshold edge-emitting lasers \6] and micro lasers [7], [81 mono It lineally integrated with silicon would be problematic if not for QDs,

The drawback of Stranski-Krastanow QD materia I is its low optical gain, which is typically about 5-6 cut-1 per QD plane being limited by the inhornogeneous broadening of QD density of states in combination with relatively low surface density [91. In edge-emitting lasers, several (up to 8... 10) QD layers inside the laser waveguide are typically used In multiply stacked QD lasers the maximum modal gain can reach 50 cm-1 [ 10]T [11 ]. We have recently introduced a method for forming arrays of InGaAs quantum (kits (also referred lo as quantum w ell-do Is* QWDs) with a surface density in the mid of 1011 cm i e. about an order of magnitude higher than typical densities for Stranski-Kmtanow QDs [12], "Hie maximum material gain o1 QWDs was found to be as high as 1.1 . Itf1 cm-1 [13]T which, depending on the optical confinement factor in Ihe laser, can provide die modal gain of 50...300 cm-1.