隨著物聯網、5G通信和6G通信、人工智能、雲(yun) 計算和量子通信等大規模數據業(ye) 務的發展和應用，現代光通信係統和矽基光子集成電路亟需高速、穩定、節能的半導體(ti) 激光器。為(wei) 了實現這些目標，使用量子點和量子短線等低維半導體(ti) 納米結構作為(wei) 激光器增益介質是實現高性能激光器的最有吸引力和最有前景的解決(jue) 方案之一。

近期，來自法國巴黎高等電信學院的Frederic grillot教授，哈爾濱工業(ye) 大學（深圳）的段嘉楠助理教授，巴黎高等電信學院的董伯彰博士生，黃鶴鳴博士共同以 Uncovering recent progress in nanostructured light-emitters for information and communication technologies 為(wei) 題在 Light: Science & Applications 上發表了綜述文章。
此綜述將半導體(ti) 材料特性與(yu) 激光器件物理機製聯係起來，重點介紹在III-V族襯底（磷化銦或砷化镓）上生長的量子點激光器和量子短線激光器，以及在矽襯底上異質外延生長的量子點激光器的光譜線寬特性、偏振各向異性、光學非線性、微波及動力學特性等代表性創新成果。
該文章展現了納米結構量子點和量子短線作為(wei) 激光器增益介質的重要性，並強調了基於(yu) 納米結構的激光器在矽基光子集成電路、密集波分複用係統、相幹通信等領域的應用價(jia) 值。
在相幹通信係統中，半導體(ti) 激光器的光譜線寬會(hui) 增加信號探測的誤碼率，從(cong) 而限製光通信係統的傳(chuan) 輸速率。得益於(yu) 量子點激光器的低自發輻射噪聲、低粒子數反轉因子和低線寬增強因子，量子點激光展現出低於(yu) 100kHz的窄光譜線寬，可以應用於(yu) 相幹通信、光原子鍾、高分辨率光譜檢測等需要超窄線寬激光的係統中。
量子短線的偏振各向異性會(hui) 影響激光的光學特性，此文章對比了量子短線平行於(yu) 激光腔光軸和量子短線垂直於(yu) 激光腔軸兩(liang) 種激光器，結果顯示量子短線垂直於(yu) 激光腔軸可以降低激光器的線寬增強因子，並且在外部光學反饋的影響下，展現出更好的容忍度。此文章對量子短線激光器的設計提供重要參考。
納米結構中的光學非線性不僅(jin) 對經典光通信有重要意義(yi) ，同時對需要單光子源、量子頻率轉換器、光的壓縮態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非線性特性，為(wei) 納米結構激光器應用於(yu) 密集波分複用係統、量子通信提供重要實驗支持。
微波信號在無線通信、傳(chuan) 感、空間通信等領域有重要應用，傳(chuan) 統的微波光子鏈路是將微波信號通過電光調製器調製到光載波上，隨後攜帶微波信號的光信號通過光纖鏈路傳(chuan) 輸，最後由光電探測器恢複微波信號。此文章通過外部光學注入到量子點激光器的諧振腔中，無需電光調製，即可產(chan) 生微波信號，極大地降低了係統的複雜度。此文章對於(yu) 未來低成本、高能效的芯片上微波源的開發具有重要指導意義(yi) 。
矽光技術近年來在學術和商業(ye) 領域發展迅速，其與(yu) 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台將光電子器件集成到微電子電路上，實現大規模生產(chan) 。
作為(wei) 矽光技術的核心器件，矽基直接外延生長量子點激光器展現出對外延生長缺陷高容忍度、低閾值電流、高溫度穩定性、低相對強度噪聲等諸多優(you) 勢。
將半導體(ti) 激光器集成在矽基光子集成電路時，矽基光波導以及與(yu) 激光器相連接的光電器件不可避免會(hui) 產(chan) 生殘留光反饋，使得激光器的噪聲嚴(yan) 重增加甚至失穩。為(wei) 了避免殘留光反饋的影響，激光器一般與(yu) 光隔離器一起使用，然而由於(yu) 芯片上光隔離器的技術和成本很高，因此如果矽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，簡化矽基光子集成電路的設計並降低成本。此文章展示了矽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%的光學反饋，激光器依然能夠保持低噪聲、高穩定和低誤碼率運行。並從(cong) 增益區p型摻雜程度、線寬增強因子、阻尼係數等方麵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(wei) 無隔離器的光通信與(yu) 矽基光子集成電路係統中的抗反射可靠光源。
矽基量子點鎖模激光器產(chan) 生的超短脈衝(chong) 和超高帶寬光學頻率梳可以應用於(yu) 高精度測量、高速取樣、光時分複用係統、光子神經網絡、光學時鍾以及生物成像等領域。此文章提出兩(liang) 種外部控製裝置來提高矽基量子點鎖模激光器的性能和穩定性：
第一種通過外部光學反饋機製，將鎖模激光器頻譜線寬從(cong) 160kHz壓縮到4kHz，提高了脈衝(chong) 的穩定性。
第二種通過外部光學注入機製，調整注入波長和注入強度，可以改進頻率梳的帶寬與(yu) 平坦度，提高了光學頻率梳的性能。
基於(yu) 此綜述文章報道的結果，科研人員可以在使用納米結構激光器應用於(yu) 矽基光子集成電路和量子通信係統時有更加明智的判斷。特別是，在未來量子通信技術中應用超低噪聲的量子點激光器會(hui) 非常有意義(yi) 。

量子點激光器發光原理

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