纳米结构激光在通信领域“大放异彩”

撰稿  | 段嘉楠（哈工大（深圳），助理教授）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

随着物联网、5G通信和6G通信、人工智能、云计算和量子通信等大规模数据业务的发展和应用，现代光通信系统和硅基光子集成电路亟需高速、稳定、节能的半导体激光器。为了实现这些目标，使用量子点和量子短线等低维半导体纳米结构作为激光器增益介质是实现高性能激光器的最有吸引力和最有前景的解决方案之一。

近期，来自法国巴黎高等电信学院的Frederic grillot教授，哈尔滨工业大学（深圳）的段嘉楠助理教授，巴黎高等电信学院的董伯彰博士生，黄鹤鸣博士共同以 Uncovering recent progress in nanostructured light-emitters for information and communication technologies 为题在 Light: Science & Applications 上发表了综述文章。

此综述将半导体材料特性与激光器件物理机制联系起来，重点介绍在III-V族衬底（磷化铟或砷化镓）上生长的量子点激光器和量子短线激光器，以及在硅衬底上异质外延生长的量子点激光器的光谱线宽特性、偏振各向异性、光学非线性、微波及动力学特性等代表性创新成果。

该文章展现了纳米结构量子点和量子短线作为激光器增益介质的重要性，并强调了基于纳米结构的激光器在硅基光子集成电路、密集波分复用系统、相干通信等领域的应用价值。

在相干通信系统中，半导体激光器的光谱线宽会增加信号探测的误码率，从而限制光通信系统的传输速率。得益于量子点激光器的低自发辐射噪声、低粒子数反转因子和低线宽增强因子，量子点激光展现出低于100kHz的窄光谱线宽，可以应用于相干通信、光原子钟、高分辨率光谱检测等需要超窄线宽激光的系统中。

量子短线的偏振各向异性会影响激光的光学特性，此文章对比了量子短线平行于激光腔光轴和量子短线垂直于激光腔轴两种激光器，结果显示量子短线垂直于激光腔轴可以降低激光器的线宽增强因子，并且在外部光学反馈的影响下，展现出更好的容忍度。此文章对量子短线激光器的设计提供重要参考。

纳米结构中的光学非线性不仅对经典光通信有重要意义，同时对需要单光子源、量子频率转换器、光的压缩态的量子通信也有重要影响。通过激光器双光注入四波混频实验，此文章论证了量子短线激光器和量子点激光器的光学非线性特性，为纳米结构激光器应用于密集波分复用系统、量子通信提供重要实验支持。

微波信号在无线通信、传感、空间通信等领域有重要应用，传统的微波光子链路是将微波信号通过电光调制器调制到光载波上，随后携带微波信号的光信号通过光纤链路传输，最后由光电探测器恢复微波信号。此文章通过外部光学注入到量子点激光器的谐振腔中，无需电光调制，即可产生微波信号，极大地降低了系统的复杂度。此文章对于未来低成本、高能效的芯片上微波源的开发具有重要指导意义。

硅光技术近年来在学术和商业领域发展迅速，其与CMOS工艺兼容的特点，使其可以借助成熟的微电子加工工艺平台将光电子器件集成到微电子电路上，实现大规模生产。

作为硅光技术的核心器件，硅基直接外延生长量子点激光器展现出对外延生长缺陷高容忍度、低阈值电流、高温度稳定性、低相对强度噪声等诸多优势。

将半导体激光器集成在硅基光子集成电路时，硅基光波导以及与激光器相连接的光电器件不可避免会产生残留光反馈，使得激光器的噪声严重增加甚至失稳。为了避免残留光反馈的影响，激光器一般与光隔离器一起使用，然而由于芯片上光隔离器的技术和成本很高，因此如果硅基激光器抵抗残留光反馈的能力足够强，将能够避免使用光隔离器，简化硅基光子集成电路的设计并降低成本。此文章展示了硅基量子点激光器对外部光反馈的不敏感特性，即使遭受到外部100%的光学反馈，激光器依然能够保持低噪声、高稳定和低误码率运行。并从增益区p型掺杂程度、线宽增强因子、阻尼系数等方面解释了引起光反馈不敏感的原因，证实量子点激光器可以作为无隔离器的光通信与硅基光子集成电路系统中的抗反射可靠光源。

硅基量子点锁模激光器产生的超短脉冲和超高带宽光学频率梳可以应用于高精度测量、高速取样、光时分复用系统、光子神经网络、光学时钟以及生物成像等领域。此文章提出两种外部控制装置来提高硅基量子点锁模激光器的性能和稳定性：

第一种通过外部光学反馈机制，将锁模激光器频谱线宽从160kHz压缩到4kHz，提高了脉冲的稳定性。

第二种通过外部光学注入机制，调整注入波长和注入强度，可以改进频率梳的带宽与平坦度，提高了光学频率梳的性能。

基于此综述文章报道的结果，科研人员可以在使用纳米结构激光器应用于硅基光子集成电路和量子通信系统时有更加明智的判断。特别是，在未来量子通信技术中应用超低噪声的量子点激光器会非常有意义。

量子点激光器发光原理

论文信息：

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

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00598-3

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编辑 | 赵阳

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