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隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和6G通信、人工智能、云計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。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，使用量子點和量子短線等低維半導(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，來自法國巴黎高等電信學(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制聯(lián)系起來，重點介紹在III-V族襯底（磷化銦或砷化鎵）上生長的量子點激光器和量子短線激光器，以及在硅襯底上異質(zhì)外延生長的量子點激光器的光譜線寬特性、偏振各向異性、光學(xué)非線性、微波及動力學(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)量子點和量子短線作為激光器增益介質(zhì)的重要性，并強調(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)用價值。
在相干通信系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器的光譜線寬會增加信號探測的誤碼率，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)因子和低線寬增強因子，量子點激光展現(xiàn)出低于100kHz的窄光譜線寬，可以應(yīng)用于相干通信、光原子鐘、高分辨率光譜檢測等需要超窄線寬激光的系統(tǒng)中。
量子短線的偏振各向異性會影響激光的光學(xué)特性，此文章對比了量子短線平行于激光腔光軸和量子短線垂直于激光腔軸兩種激光器，結(jié)果顯示量子短線垂直于激光腔軸可以降低激光器的線寬增強因子，并且在外部光學(xué)反饋的影響下，展現(xiàn)出更好的容忍度。此文章對量子短線激光器的設(shè)計提供重要參考。
納米結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線性不僅對經(jīng)典光通信有重要意義，同時對需要單光子源、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。通過激光器雙光注入四波混頻實驗，此文章論證了量子短線激光器和量子點激光器的光學(xué)非線性特性，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驗支持。
微波信號在無線通信、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通過電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，隨后攜帶微波信號的光信號通過光纖鏈路傳輸，最后由光電探測器恢復(fù)微波信號。此文章通過外部光學(xué)注入到量子點激光器的諧振腔中，無需電光調(diào)制，即可產(chǎn)生微波信號，極大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。此文章對于未來低成本、高能效的芯片上微波源的開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。
硅光技術(shù)近年來在學(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，使其可以借助成熟的微電子加工工藝平臺將光電子器件集成到微電子電路上，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
作為硅光技術(shù)的核心器件，硅基直接外延生長量子點激光器展現(xiàn)出對外延生長缺陷高容忍度、低閾值電流、高溫度穩(wěn)定性、低相對強度噪聲等諸多優(yōu)勢。
將半導(dǎo)體激光器集成在硅基光子集成電路時，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，將能夠避免使用光隔離器，簡化硅基光子集成電路的設(shè)計并降低成本。此文章展示了硅基量子點激光器對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)定和低誤碼率運行。并從增益區(qū)p型摻雜程度、線寬增強因子、阻尼系數(shù)等方面解釋了引起光反饋不敏感的原因，證實量子點激光器可以作為無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)用于高精度測量、高速取樣、光時分復(fù)用系統(tǒng)、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)時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提高硅基量子點鎖模激光器的性能和穩(wěn)定性：
第一種通過外部光學(xué)反饋機制，將鎖模激光器頻譜線寬從160kHz壓縮到4kHz，提高了脈沖的穩(wěn)定性。
第二種通過外部光學(xué)注入機制，調(diào)整注入波長和注入強度，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)時有更加明智的判斷。特別是，在未來量子通信技術(shù)中應(yīng)用超低噪聲的量子點激光器會非常有意義。

量子點激光器發(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