火狐体育首页进入:半导体量子点激光器：无需光隔离器的片上光源解决方案

　　万物互联时代，指数化增长的数据传输对高速通信网络有较高需求，数据中心作为重要的数据处理终端而备受关注。规模化光电子集成芯片是通信系统的关键组成部分，其性能，功耗及成本的持续优化是下一代光网络的基础。

　　伴随光电器件的规模化集成，与半导体激光器相连接的光学元件不可避免地会产生光学反馈，而激光器对光学反馈极敏感，非常小的反馈便会影响激光工作稳定性从而影响光芯片的性能。目前芯片上光隔离器的技术难度和成本都很高，如果激光器对外部光学反馈的抵抗力足够强，即可避免隔离器的使用，因此，开发对外部光学反馈不敏感的激光器是理想的解决方案。同时，鉴于数据中心较高的核心工作温度，耐高温的片上光源有利于进一步降冷所造成的能耗并延长芯片寿命。

　　法国巴黎理工学院、美国加州大学圣塔芭芭拉分校、日本 QD Laser, Inc. 和哈尔滨工业大学（深圳）的多位学者，近期报道了用于密集型光子集成电路的分布反馈式（DFB）量子点单模激光器，相关成果发表在 Photonics Research 上。该方案结合半导体量子点的优异发光特性及光学波长失配设计，片上单模激光器可以在最高 -6 dB 外部光学反馈的条件下保持稳定输出，同时实现75°C的最佳工作温度。激光器对外部光学反馈的耐受度不仅远高于IEEE 802.3标准所规定的-21 dB，也是目前所报道的国际领先水平。

　　图1 InAs量子点于GaAs衬底上的外延生长流程及其在原子力显微镜下的单层结构图。来源[1]。

　　该激光器的增益介质由8层InAs量子点构成，并直接外延生长于GaAs衬底上以用于1.3 µm光纤通信波段。得益于的高密度量子点结构（图1），该激光器可以实现低至6 mA的阈值电流及较高的发光效率，配以周期性布拉格衍射光栅，显示出优异的单模发光特性。在15°C-55°C的温度范围内，边膜抑制比（SMSR）可以保持在50 dB以上。

　　为了实现激光器在高温下的稳定输出，研究人员创新地提出发光波长失配的设计方案，即在室温25°C的条件下，光栅的布拉格波长相对于光学增益峰值波长提高25 nm。由于布拉格波长和光学增益波长随温度变化显示出不一致的变化速率，波长失配的程度可以通过控制激光器的工作温度来改变。如图2所示，随着温度由15°C升至55°C，该激光器的波长失配程度由30 nm降低至10 nm，并且阈值电流从10.6 mA降至6 mA。

　　图2 单模量子点激光器在不同工作温度下的光谱变化。由于布拉格波长（DFB，红色）和光学增益波长（gain peak，青色）随温度的升高而显示出不同的变化速率，二者间的波长失配程度将在75°C时达到最低。

　　该研究同时展示了激光器的啁啾及调制性能也在高温下得到了较大的提升。将激光器工作温度从15°C上升至55°C，决定激光器最大3 dB调制带宽的K因子从2.9 ns降低至1.7 ns，同时激光器在两倍阈值处的啁啾系数（又名：线。前一项指标的提升有助于提高激光器的调制带宽，第二项指标的优化则对提升激光器对外部光学反馈的耐受度起到了决定作用。

　　研究显示，随着温度升高而降低的波长失配显著提升了激光器在外部光学反馈条件下的失相干（coherence collapse）抑制效果。如图3所示，使激光器进入失相干状态的光反馈强度阈值（critical feedback level）随着温度的升高而明显上升。在四倍阈值电流及55°C的操作条件下，该激光器可承受最高25%（-6 dB）的光反馈强度并保持稳定状态， 且激光器的性能及对外部光学反馈的耐受度会在75°C达到最佳效果。

　　图3 使激光器进入失相干状态的光反馈强度阈值受工作温度及泵浦电流的影响。激光器对外部光学反馈的耐受度在高温下达到最佳效果。

　　此项工作揭示了半导体量子点可以在无需光隔离器的片上光源设计与制造中起到重要作用，其耐高温的特性也显示出了应用于高速通信网络中的潜力。

　　值得注意的是，研究团队在之前的工作中证实，相较于量子阱异质结结构，量子点离散结构对三五族半导体直接外延生长于硅基上所造成的晶格缺陷不敏感。因此提升的抗反馈特性使得量子点激光器被认作下一代硅基光电子集成电路的首选光源解决方案，该研究[2]荣获2021 IEEE Photonics Technology Letters Best Paper Award。结合其在本工作中显示出的优异特性，量子点激光器将会在未来低成本，低功耗，规模化的硅基光电集成应用中大放异彩。