萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，指數(shù)化增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)高速通信網(wǎng)絡(luò)有較高需求，數(shù)據(jù)中心作為重要的數(shù)據(jù)處理終端而備受關(guān)注。規(guī)模化光電子集成芯片是通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能，功耗及成本的持續(xù)優(yōu)化是下一代光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。
伴隨光電器件的規(guī)模化集成，與半導(dǎo)體激光器相連接的光學(xué)元件不可避免地會(huì)產(chǎn)生光學(xué)反饋，而激光器對(duì)光學(xué)反饋極敏感，非常小的反饋便會(huì)影響激光工作穩(wěn)定性從而影響光芯片的性能。目前芯片上光隔離器的技術(shù)難度和成本都很高，如果激光器對(duì)外部光學(xué)反饋的抵抗力足夠強(qiáng)，即可避免隔離器的使用，因此，開(kāi)發(fā)對(duì)外部光學(xué)反饋不敏感的激光器是理想的解決方案。同時(shí)，鑒于數(shù)據(jù)中心較高的核心工作溫度，耐高溫的片上光源有利于進(jìn)一步降低制冷所造成的能耗并延長(zhǎng)芯片壽命。
法國(guó)巴黎理工學(xué)院、美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校、日本 QD Laser, Inc. 和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）的多位學(xué)者，近期報(bào)道了用于密集型光子集成電路的分布反饋式（DFB）量子點(diǎn)單模激光器，相關(guān)成果發(fā)表在 Photonics Research 上。該方案結(jié)合半導(dǎo)體量子點(diǎn)的優(yōu)異發(fā)光特性及光學(xué)波長(zhǎng)失配設(shè)計(jì)，片上單模激光器可以在最高 -6 dB 外部光學(xué)反饋的條件下保持穩(wěn)定輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)75°C的最佳工作溫度。激光器對(duì)外部光學(xué)反饋的耐受度不僅遠(yuǎn)高于IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的-21 dB，也是目前所報(bào)道的國(guó)際領(lǐng)先水平。
圖1 InAs量子點(diǎn)于GaAs襯底上的外延生長(zhǎng)流程及其在原子力顯微鏡下的單層結(jié)構(gòu)圖。來(lái)源[1]。
該激光器的增益介質(zhì)由8層InAs量子點(diǎn)構(gòu)成，并直接外延生長(zhǎng)于GaAs襯底上以用于1.3 μm光纖通信波段。得益于的高密度量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)（圖1），該激光器可以實(shí)現(xiàn)低至6 mA的閾值電流及較高的發(fā)光效率，配以周期性布拉格衍射光柵，顯示出優(yōu)異的單模發(fā)光特性。在15°C-55°C的溫度范圍內(nèi)，邊膜抑制比（SMSR）可以保持在50 dB以上。
為了實(shí)現(xiàn)激光器在高溫下的穩(wěn)定輸出，研究人員創(chuàng)新地提出發(fā)光波長(zhǎng)失配的設(shè)計(jì)方案，即在室溫25°C的條件下，光柵的布拉格波長(zhǎng)相對(duì)于光學(xué)增益峰值波長(zhǎng)提高25 nm。由于布拉格波長(zhǎng)和光學(xué)增益波長(zhǎng)隨溫度變化顯示出不一致的變化速率，波長(zhǎng)失配的程度可以通過(guò)控制激光器的工作溫度來(lái)改變。如圖2所示，隨著溫度由15°C升至55°C，該激光器的波長(zhǎng)失配程度由30 nm降低至10 nm，并且閾值電流從10.6 mA降至6 mA。
圖2 單模量子點(diǎn)激光器在不同工作溫度下的光譜變化。由于布拉格波長(zhǎng)（DFB，紅色）和光學(xué)增益波長(zhǎng)（gain peak，青色）隨溫度的升高而顯示出不同的變化速率，二者間的波長(zhǎng)失配程度將在75°C時(shí)達(dá)到最低。
該研究同時(shí)展示了激光器的啁啾及調(diào)制性能也在高溫下得到了較大的提升。將激光器工作溫度從15°C上升至55°C，決定激光器最大3 dB調(diào)制帶寬的K因子從2.9 ns降低至1.7 ns，同時(shí)激光器在兩倍閾值處的啁啾系數(shù)（又名：線寬增強(qiáng)因子）也從3.4降至2。前一項(xiàng)指標(biāo)的提升有助于提高激光器的調(diào)制帶寬，第二項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化則對(duì)提升激光器對(duì)外部光學(xué)反饋的耐受度起到了決定作用。
研究顯示，隨著溫度升高而降低的波長(zhǎng)失配顯著提升了激光器在外部光學(xué)反饋條件下的失相干（coherence collapse）抑制效果。如圖3所示，使激光器進(jìn)入失相干狀態(tài)的光反饋強(qiáng)度閾值（critical feedback level）隨著溫度的升高而明顯上升。在四倍閾值電流及55°C的操作條件下，該激光器可承受最高25%（-6 dB）的光反饋強(qiáng)度并保持穩(wěn)定狀態(tài)， 且激光器的性能及對(duì)外部光學(xué)反饋的耐受度會(huì)在75°C達(dá)到最佳效果。
圖3 使激光器進(jìn)入失相干狀態(tài)的光反饋強(qiáng)度閾值受工作溫度及泵浦電流的影響。激光器對(duì)外部光學(xué)反饋的耐受度在高溫下達(dá)到最佳效果。
此項(xiàng)工作揭示了半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以在無(wú)需光隔離器的片上光源設(shè)計(jì)與制造中起到重要作用，其耐高溫的特性也顯示出了應(yīng)用于高速通信網(wǎng)絡(luò)中的潛力。
值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)在之前的工作中證實(shí)，相較于量子阱異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)離散結(jié)構(gòu)對(duì)三五族半導(dǎo)體直接外延生長(zhǎng)于硅基上所造成的晶格缺陷不敏感。因此提升的抗反饋特性使得量子點(diǎn)激光器被認(rèn)作下一代硅基光電子集成電路的首選光源解決方案，該研究[2]榮獲2021 IEEE Photonics Technology Letters Best Paper Award。結(jié)合其在本工作中顯示出的優(yōu)異特性，量子點(diǎn)激光器將會(huì)在未來(lái)低成本，低功耗，規(guī)模化的硅基光電集成應(yīng)用中大放異彩。
論文信息：
Bozhang Dong, Jianan Duan, Heming Huang, Justin C. Norman, Kenichi Nishi, Keizo Takemasa, Mitsuru Sugawara, John E. Bowers, Frédéric Grillot. Dynamic performance and reflection sensitivity of quantum dot distributed feedback lasers with large optical mismatch[J]. Photonics Research, 2021, 9(8): 08001550
[1].Nishi, K., Takemasa, K., Sugawara, M., & Arakawa, Y. (2017). Development of quantum dot lasers for data-com and silicon photonics applications. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 23(6), 1-7.
[2].Duan, J., Huang, H., Dong, B., Jung, D., Norman, J., Bowers, J., & Grillot, F. (2019). 1.3-μm Reflection Insensitive InAs/GaAs Quantum Dot Lasers Directly Grown on Silicon, IEEE Photonics Technology Letters, 31(5), 2019.
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