萬物互聯時代，指數化增長的數據傳輸對高速通信網絡有較高需求，數據中心作為重要的數據處理終端而備受關注。規?；怆娮蛹尚酒峭ㄐ畔到y的關鍵組成部分，其性能，功耗及成本的持續優化是下一代光網絡的基礎。
伴隨光電器件的規模化集成，與半導體激光器相連接的光學元件不可避免地會產生光學反饋，而激光器對光學反饋極敏感，非常小的反饋便會影響激光工作穩定性從而影響光芯片的性能。目前芯片上光隔離器的技術難度和成本都很高，如果激光器對外部光學反饋的抵抗力足夠強，即可避免隔離器的使用，因此，開發對外部光學反饋不敏感的激光器是理想的解決方案。同時，鑒于數據中心較高的核心工作溫度，耐高溫的片上光源有利于進一步降低制冷所造成的能耗并延長芯片壽命。
法國巴黎理工學院、美國加州大學圣塔芭芭拉分校、日本 QD Laser, Inc. 和哈爾濱工業大學（深圳）的多位學者，近期報道了用于密集型光子集成電路的分布反饋式（DFB）量子點單模激光器，相關成果發表在 Photonics Research 上。該方案結合半導體量子點的優異發光特性及光學波長失配設計，片上單模激光器可以在最高 -6 dB 外部光學反饋的條件下保持穩定輸出，同時實現75°C的最佳工作溫度。激光器對外部光學反饋的耐受度不僅遠高于IEEE 802.3標準所規定的-21 dB，也是目前所報道的國際領先水平。
圖1 InAs量子點于GaAs襯底上的外延生長流程及其在原子力顯微鏡下的單層結構圖。來源[1]。
該激光器的增益介質由8層InAs量子點構成，并直接外延生長于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結構（圖1），該激光器可以實現低至6 mA的閾值電流及較高的發光效率，配以周期性布拉格衍射光柵，顯示出優異的單模發光特性。在15°C-55°C的溫度范圍內，邊膜抑制比（SMSR）可以保持在50 dB以上。
為了實現激光器在高溫下的穩定輸出，研究人員創新地提出發光波長失配的設計方案，即在室溫25°C的條件下，光柵的布拉格波長相對于光學增益峰值波長提高25 nm。由于布拉格波長和光學增益波長隨溫度變化顯示出不一致的變化速率，波長失配的程度可以通過控制激光器的工作溫度來改變。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 單模量子點激光器在不同工作溫度下的光譜變化。由于布拉格波長（DFB，紅色）和光學增益波長（gain peak，青色）隨溫度的升高而顯示出不同的變化速率，二者間的波長失配程度將在75°C時達到最低。
該研究同時展示了激光器的啁啾及調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調制帶寬的K因子從2.9 ns降低至1.7 ns，同時激光器在兩倍閾值處的啁啾系數（又名：線寬增強因子）也從3.4降至2。前一項指標的提升有助于提高激光器的調制帶寬，第二項指標的優化則對提升激光器對外部光學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失配顯著提升了激光器在外部光學反饋條件下的失相干（coherence collapse）抑制效果。如圖3所示，使激光器進入失相干狀態的光反饋強度閾值（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）的光反饋強度并保持穩定狀態， 且激光器的性能及對外部光學反饋的耐受度會在75°C達到最佳效果。
圖3 使激光器進入失相干狀態的光反饋強度閾值受工作溫度及泵浦電流的影響。激光器對外部光學反饋的耐受度在高溫下達到最佳效果。
此項工作揭示了半導體量子點可以在無需光隔離器的片上光源設計與制造中起到重要作用，其耐高溫的特性也顯示出了應用于高速通信網絡中的潛力。
值得注意的是，研究團隊在之前的工作中證實，相較于量子阱異質結結構，量子點離散結構對三五族半導體直接外延生長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激光器被認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。結合其在本工作中顯示出的優異特性，量子點激光器將會在未來低成本，低功耗，規?；墓杌怆娂蓱弥写蠓女惒?。
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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