硅上量子点激光器报告最新进展总结（二）

————来自蔻享学术UCSB万雅婷博士报告

一、量子点在传统的F-P腔上的应用：

87%的电注入效率，175mW的输出功率，6.5mA的阈值电流 APL photonics 3(3), 030901(2018)

这些指标到现在仍然代表硅上量子点激光器最好的性能。

硅上量子点激光器具有很小的线宽展宽因子，比传统的量子阱激光器小20倍，线宽展宽因子与激光器的线和反射容忍度息息相关的。量子点激光器有望实现超窄线宽的激光激射，并且有效减少反射光对光源的光谱输功率的稳定性产生的不良影响。光路中由于各种原因产生的后向传输光返回激光器后会产生噪声，并且影响激光器工作状态的稳定，所以在半导体激光源和传输系统需要安插光隔离器，减少反射光对光源稳定性的不良影响。隔离器一般用磁光材料与激光材料不相容，隔离器需要外部耦合芯片，会占据芯片很大的体积。

量子点激光器有非常好的反射容忍度，可避免光隔离器的使用，从而大大降低芯片的成本和体积。很高的反射容忍度一方面来自于较小的线宽展宽因子，和K因子。K因子和器件的工作带宽相关，量子点激光器直接调制带宽比较小，用到的F-P腔500μm腔长，5μm宽，3db带宽仅有6.5Ghz，使用PAM4的调制方式，直接调制速率可以达到25Gbps，可以满足对调制速率要求不高，低成本，高效率，简单紧凑的能实现带宽调制的方案，比如10G的以太网。

二、硅上量子点激光器和微腔谐振器结合

微腔激光器具有体积小，阈值低和功耗低的优点，是作为大规模光通信的理想光源。但是使用量子阱作为有源材料的微腔，腔体尺寸较大，当腔体尺寸减小到10μm左右时，侧壁光反射和非辐射复合会大大增加，从而导致阈值电流的增大，温度稳定性也会退化。这种波导对于有源区暴露在外的深刻蚀波导影响尤为严重，但使用量子点结构可以解决这一问题。

通过二氧化硅座作掩膜，形成了600nm高的高铝组分的AlGaAs支柱和半径为2um的微盘腔所组成的微盘激光器件，

在此基础之上呢，又首次在亚波长尺寸实现了三五族微盘激光器的硅基集成：

说完了光泵浦，讲下电泵浦，微型激光器的电子注入是一项更具挑战的任务，由于电极金属化，受微型尺寸腔的限制，会增大器件电阻和热阻抗，而复杂的工艺过程中所引起的缺陷会增加光学损耗，通过反复的器件设计和优化，特别是在谐振腔的干法刻蚀，以及在器件钝化、退火和金属结构方面的工艺优化，最后成功制作了电注入量子点硅基微环激光器，该电注入量子点硅基微环激光器可在100°高温下实现连续波长激射，特征温度高达105K。

三、量子点材料与可调谐激光器的结合

可调谐激光器是光通信技术的核心元件，而低成本，高性能，多功能和大规模集成是目前它发展的一个大趋势，现阶段市场上流行的是这种单片集成的可调谐激光器，它是基于光栅选模的，需要外延生长，成本比较高，制作难度大，制约了被更大规模应用的可能。另一种是基于硅基混合平台的多个环形腔构成的可调谐激光器，避免了光栅的加工，在一定程度上降低了新的成本，有高边摸抑制比，同时能有较大的调谐范围，同时环具有高Q值，热调谐以及激光器较长的谐振腔，环形激光器的线宽表现非常好，可以低于1khz，但是工艺非常复杂，良品率有待提高。

2008年浙江大学何建军老师课题组首次提出了半波耦合V型激光器的概念，结构紧凑，不需光栅制作，不需二次外延，并在实验验证了单电极调谐的可能性，以及相对于环形激光器更加稳定的相位条件，然后将其与量子点结合，通过优化半波耦合器的耦合相位和耦合系数，以及两个谐振腔的长度差并结合游标效应，可以使其具有波长切换能力，

同时保证比较高的边模抑制比。为了进一步扩大调谐范围，采用半波双环耦合可调谐激光器的结构，利用两个环之间的游标效应，在不需要移动增益谱的前提下，取得14-16nm的调谐范围，并进一步SMSR提高的45dB。

四、硅基量子点DFB激光器

DFB激光器单色性好，波长精确可控，在超高速光通信和波分复用的应用场景中有着重要的应用，

伦敦大学学院刘惠云老师与中山大学余思远老师课题组首次推出硅基量子点DFB激光阵列，突破超超高宽深比的光栅刻蚀，刻的非常深，性能如图九左所示，但是制作工艺复杂，刻蚀过深，刻过量子点有源区，非辐射复合严重，目前功率低，室温下才能工作。万博士课题组通过二次外延得到右图所示的成果。这种光源在集成中的应用方式：由于量子点激光器的K因子很高，所以其3dB带宽比较小，万博士课题组的不到3Ghz，直接调制速率只有8Gbps，只能满足部分对调制速率要求不高，但需要低成本，高效率简单紧凑的一种带宽调制方案，在GaAs材料上第一次实现了分子束二次外延，也就意味着可以在芯片上灵活生长新的材料，加入新的材料特性，包括调制器，DFB是个很好的外部光源。

如果能够以一种高效简易低成本的方式实现调制器和激光器的片上集成，就可以克服量子点直接调制速率受限的瓶颈，那么如何集成呢？尽管硅基外延生长的量子点激光器是目前看来很有希望实现单片集成的硅基片上光源的重要方式，但是它的缓冲层太厚，导致波导耦合十分困难。

五、C波段1550nm量子短线激光器

以上是O波段激光器，C波段可以通过InAs，InP生长的量子短线，非常类似于量子点的一种材料实现，材料收到准三维限制，理论上具有和量子点非常相近的低阈值电流密度和优良的热稳定性，以及衬底缺陷影响和侧壁非辐射复合影响减小的优异特性，目前在同质的InP衬底上初步完成了微环激光器的制作和测试实验，

可以实现55度CW激射，阈值电流密度为528A/cm2。