隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和6G通信、人工智能、云計(jì)算和量子通信等大規(guī)模數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)代光通信系統(tǒng)和硅基光子集成電路亟需高速、穩(wěn)定、節(jié)能的半導(dǎo)體激光器。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，使用量子點(diǎn)和量子短線(xiàn)等低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為激光器增益介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)高性能激光器的最有吸引力和最有前景的解決方案之一。

近期，來(lái)自法國(guó)巴黎高等電信學(xué)院的Frederic grillot教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的段嘉楠助理教授，巴黎高等電信學(xué)院的董伯彰博士生，黃鶴鳴博士共同以 Uncovering recent progress in nanostructured light-emitters for information and communication technologies 為題在 Light: Science & Applications 上發(fā)表了綜述文章。
此綜述將半導(dǎo)體材料特性與激光器件物理機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，重點(diǎn)介紹在III-V族襯底（磷化銦或砷化鎵）上生長(zhǎng)的量子點(diǎn)激光器和量子短線(xiàn)激光器，以及在硅襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)的量子點(diǎn)激光器的光譜線(xiàn)寬特性、偏振各向異性、光學(xué)非線(xiàn)性、微波及動(dòng)力學(xué)特性等代表性創(chuàng)新成果。
該文章展現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)和量子短線(xiàn)作為激光器增益介質(zhì)的重要性，并強(qiáng)調(diào)了基于納米結(jié)構(gòu)的激光器在硅基光子集成電路、密集波分復(fù)用系統(tǒng)、相干通信等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
在相干通信系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器的光譜線(xiàn)寬會(huì)增加信號(hào)探測(cè)的誤碼率，從而限制光通信系統(tǒng)的傳輸速率。得益于量子點(diǎn)激光器的低自發(fā)輻射噪聲、低粒子數(shù)反轉(zhuǎn)因子和低線(xiàn)寬增強(qiáng)因子，量子點(diǎn)激光展現(xiàn)出低于100kHz的窄光譜線(xiàn)寬，可以應(yīng)用于相干通信、光原子鐘、高分辨率光譜檢測(cè)等需要超窄線(xiàn)寬激光的系統(tǒng)中。
量子短線(xiàn)的偏振各向異性會(huì)影響激光的光學(xué)特性，此文章對(duì)比了量子短線(xiàn)平行于激光腔光軸和量子短線(xiàn)垂直于激光腔軸兩種激光器，結(jié)果顯示量子短線(xiàn)垂直于激光腔軸可以降低激光器的線(xiàn)寬增強(qiáng)因子，并且在外部光學(xué)反饋的影響下，展現(xiàn)出更好的容忍度。此文章對(duì)量子短線(xiàn)激光器的設(shè)計(jì)提供重要參考。
納米結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線(xiàn)性不僅對(duì)經(jīng)典光通信有重要意義，同時(shí)對(duì)需要單光子源、量子頻率轉(zhuǎn)換器、光的壓縮態(tài)的量子通信也有重要影響。通過(guò)激光器雙光注入四波混頻實(shí)驗(yàn)，此文章論證了量子短線(xiàn)激光器和量子點(diǎn)激光器的光學(xué)非線(xiàn)性特性，為納米結(jié)構(gòu)激光器應(yīng)用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)、量子通信提供重要實(shí)驗(yàn)支持。
微波信號(hào)在無(wú)線(xiàn)通信、傳感、空間通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，傳統(tǒng)的微波光子鏈路是將微波信號(hào)通過(guò)電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，隨后攜帶微波信號(hào)的光信號(hào)通過(guò)光纖鏈路傳輸，最后由光電探測(cè)器恢復(fù)微波信號(hào)。此文章通過(guò)外部光學(xué)注入到量子點(diǎn)激光器的諧振腔中，無(wú)需電光調(diào)制，即可產(chǎn)生微波信號(hào)，極大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。此文章對(duì)于未來(lái)低成本、高能效的芯片上微波源的開(kāi)發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
硅光技術(shù)近年來(lái)在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，其與CMOS工藝兼容的特點(diǎn)，使其可以借助成熟的微電子加工工藝平臺(tái)將光電子器件集成到微電子電路上，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
作為硅光技術(shù)的核心器件，硅基直接外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)激光器展現(xiàn)出對(duì)外延生長(zhǎng)缺陷高容忍度、低閾值電流、高溫度穩(wěn)定性、低相對(duì)強(qiáng)度噪聲等諸多優(yōu)勢(shì)。
將半導(dǎo)體激光器集成在硅基光子集成電路時(shí)，硅基光波導(dǎo)以及與激光器相連接的光電器件不可避免會(huì)產(chǎn)生殘留光反饋，使得激光器的噪聲嚴(yán)重增加甚至失穩(wěn)。為了避免殘留光反饋的影響，激光器一般與光隔離器一起使用，然而由于芯片上光隔離器的技術(shù)和成本很高，因此如果硅基激光器抵抗殘留光反饋的能力足夠強(qiáng)，將能夠避免使用光隔離器，簡(jiǎn)化硅基光子集成電路的設(shè)計(jì)并降低成本。此文章展示了硅基量子點(diǎn)激光器對(duì)外部光反饋的不敏感特性，即使遭受到外部100%的光學(xué)反饋，激光器依然能夠保持低噪聲、高穩(wěn)定和低誤碼率運(yùn)行。并從增益區(qū)p型摻雜程度、線(xiàn)寬增強(qiáng)因子、阻尼系數(shù)等方面解釋了引起光反饋不敏感的原因，證實(shí)量子點(diǎn)激光器可以作為無(wú)隔離器的光通信與硅基光子集成電路系統(tǒng)中的抗反射可靠光源。
硅基量子點(diǎn)鎖模激光器產(chǎn)生的超短脈沖和超高帶寬光學(xué)頻率梳可以應(yīng)用于高精度測(cè)量、高速取樣、光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)時(shí)鐘以及生物成像等領(lǐng)域。此文章提出兩種外部控制裝置來(lái)提高硅基量子點(diǎn)鎖模激光器的性能和穩(wěn)定性：
第一種通過(guò)外部光學(xué)反饋機(jī)制，將鎖模激光器頻譜線(xiàn)寬從160kHz壓縮到4kHz，提高了脈沖的穩(wěn)定性。
第二種通過(guò)外部光學(xué)注入機(jī)制，調(diào)整注入波長(zhǎng)和注入強(qiáng)度，可以改進(jìn)頻率梳的帶寬與平坦度，提高了光學(xué)頻率梳的性能。
基于此綜述文章報(bào)道的結(jié)果，科研人員可以在使用納米結(jié)構(gòu)激光器應(yīng)用于硅基光子集成電路和量子通信系統(tǒng)時(shí)有更加明智的判斷。特別是，在未來(lái)量子通信技術(shù)中應(yīng)用超低噪聲的量子點(diǎn)激光器會(huì)非常有意義。

量子點(diǎn)激光器發(fā)光原理

論文信息：
Grillot, F., Duan, J., Dong, B. et al. Uncovering recent progress in nanostructured light-emitters for information and communication technologies. Light Sci Appl 10, 156 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00598-3
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00598-3