Achieving optical gain and/or lasing in silicon has been one of the most challenging goals in silicon-based photonics because bulk silicon is an indirect bandgap semiconductor and therefore has a very low light emission efficiency. Recently, stimulated Raman scattering has been used to demonstrate light amplification and lasing in silicon. However, because of the nonlinear optical loss associated with two-photon absorption (TPA)-induced free carrier absorption (FCA), until now lasing has been limited to pulsed operation. Here we demonstrate a continuous-wave silicon Raman laser. Specifically, we show that TPA-induced FCA in silicon can be significantly reduced by introducing a reverse-biased p-i-n diode embedded in a silicon waveguide. The laser cavity is formed by coating the facets of the silicon waveguide with multilayer dielectric films. We have demonstrated stable single mode laser output with side-mode suppression of over 55 dB and linewidth of less than 80 MHz. The lasing threshold depends on the p-i-n reverse bias voltage and the laser wavelength can be tuned by adjusting the wavelength of the pump laser. The demonstration of a continuous-wave silicon laser represents a significant milestone for silicon-based optoelectronic devices.

Many applications, including laser (LIDAR) mapping, free-space optical communications, and spatially resolved optical sensors, demand compact, robust solutions to steering an optical beam. Fine target addressability (high steering resolution) in these systems requires simultaneously achieving a wide steering angle and a small beam divergence, but this is difficult due to the fundamental trade-offs between resolution and steering range. So far, to our knowledge, chip-based two-axis optical phased arrays have achieved a resolution of no more than 23 resolvable spots in the phased-array axis. Here we report, using non-uniform emitter spacing on a large-scale emitter array, a dramatically higher-performance two-axis steerable optical phased array fabricated in a 300 mm CMOS facility with over 500 resolvable spots and 80° steering in the phased-array axis (measurement limited) and a record small divergence in both axes (0.14°). Including the demonstrated steering range in the other (wavelength-controlled) axis, this amounts to two-dimensional beam steering to more than 60,000 resolvable points.

We report the first demonstration of a silicon photonic microring modulator with modulation data rate up to 128 Gb/s (64 Gbaud PAM4). The microring modulator exhibits an electro-optic phase efficiency of V π · L = 0.52 V·cm, an electro-optic bandwidth of 50 GHz, and a measured transmitter dispersion eye closure quaternary of 3.0 dB at this data rate. In addition, the resonant wavelength of the microring modulator can be tuned across a full free spectral range using an integrated heater with a thermo-optic phase efficiency of 19.5 mW/π-phase shift.

InP-based edge-emitting O-band lasers are integrated onto silicon photonics circuit employing micro-transfer printing technology. Blocks of unpatterned InP gain material of typical size 1000 × 60 μ m2 are first transferred onto 400 nm thick silicon rib waveguides with the fabrication steps performed on the target wafer to realize the final lasers. As a result, the InP ridge waveguides are aligned with lithographic accuracy to the underlying Si waveguides resulting in an approach free from any misalignment stemming from the transfer printing process. The fabricated Distributed Bragg Reflector laser shows lasing around 100 mA current injection with minimum 1 mW of output power coupled to a single mode fiber. This integration method paves a reliable route toward scaling-up the integration of active devices such as lasers, modulators, and detectors on 300-mm diameter silicon wafers, which requires high-uniformity across the wafer.