C波段量子点垂直腔面发射激光器的电泵浦振荡实现
量子点垂直腔面发射激光器基础原理垂直腔面发射激光器(VCSEL)相比传统边发射激光器具有明显优势，包括更高的工作速度、更低的功耗以及二维集成能力。这些特性使VCSEL在现代光通信系统和3D传感应用中具有重要价值。
量子点(QD)与VCSEL结构的结合创造了更强大的组合。量子点具有接近δ函数的离散态密度，当用作激光器有源层时提供多项优势特性。这些优势包括极低的阈值电流、对温度波动的不敏感性、高温工作稳定性以及快速直接调制能力。更重要的是，量子点的独特形状能够在不需要表面光栅的情况下精确控制偏振，这代表了制造工艺的显著优势。图1：光泵浦QD VCSEL的横截面示意图和多层堆叠InAs QD的横截面HAADF-STEM图像，展示了通过分子束外延实现的精确层状结构。
1C波段工作的技术挑战虽然之前的研究主要集中在GaAs衬底上工作在0.8-1.0微米波长范围的近红外VCSEL，但电信行业推动了向1550纳米附近C波段长波长VCSEL的明显转变。该波长范围为光纤通信提供了关键优势，包括最小的传输损耗和降低的波长色散。此外，C波段波长处于人眼安全光谱范围内，使其非常适合需要考虑人身安全的3D传感应用。
主要挑战在于量子点尽管具有有益特性，但相比量子阱具有更小的有效体积。这一特征通常在VCSEL等垂直结构器件中难以获得足够的光学增益。之前在InP衬底上使用InAs QD有源层实现C波段电泵浦振荡的尝试一直未能成功，这代表了重要的技术障碍。图2：光泵浦结果，比较了QD VCSEL与QW VCSEL的性能，显示了PL峰值强度和发射光谱，为电泵浦发展奠定基础。
2应变补偿技术的关键进展克服这些限制的关键在于在生长过程中应用先进的应变补偿技术。研究团队采用了在InP(311)B衬底上通过精密分子束外延细致生长的高密度InAs QD有源层。应变补偿策略涉及用精心设计的InGaAlAs间隔层来平衡InAs层中的应变，从而增强结晶度并最大化量子点密度，达到约8×10¹⁰ cm⁻²。
这种方法产生了具有出色均匀性的量子点层，在光致发光评估中表现出约100纳米的半高全宽。有源区域包含五个InAs QD层，有效厚度为3.8单分子层，战略性地位于光腔内电场的反节点处，以实现与电磁场的最大相互作用。图3：电泵浦QD VCSEL的物理外观和横截面示意图，说明了实现高效电流注入的复杂埋藏隧道结构架构。
3电泵浦工作的实现电泵浦QD VCSEL的制造遵循专门为InP基器件开发的精密埋藏隧道结(BTJ)工艺。底部分布式布拉格反射(DBR)镜由62对InP/InGaAlAs层组成，在InP(311)B衬底上外延生长。该结构包括精心设计的包层、量子点有源区域以及促进高效载流子注入的隧道结。
制造工艺涉及使用湿蚀刻技术将隧道结层精确图案化为孔径配置，然后嵌入生长InP:Si材料。使用反应离子蚀刻进行台面蚀刻和电极沉积完成电接触结构。最后，使用离子辅助电子束蒸发沉积由SiO₂/TiO₂对组成的上层DBR镜，以实现必要的光学反射率。图4：所开发VCSEL的光-电流-电压特性和发射光谱，证明了成功的激光工作，阈值电流为13毫安，在1536纳米处发射。
4性能特征和偏振控制电泵浦QD VCSEL在室温脉冲工作下表现出优异的性能特征。在12微米孔径直径下，器件在13毫安阈值电流下实现激光振荡，在25毫安时输出功率达到0.17毫瓦。发射发生在1536纳米，可以通过腔长优化精确调谐到标准电信波长1550纳米。
最重要的成就之一是展示了受控线性偏振。发射光显示沿InP[-233]晶体学方向的线性偏振，在整个工作范围内保持稳定的偏振特性而不发生切换。这种行为源于量子点的椭圆形态，沿InP[-233]方向的长轴为33.0纳米，沿InP方向的短轴为19.8纳米。图5：QD VCSEL的偏振特性，显示了沿[-233]方向的稳定线性偏振以及相应的偏振分析L-I-V特性。
图6：QD有源层的平面视图HAADF-STEM图像，揭示了量子点的椭圆形态，这种形态实现了观察到的偏振控制。
5技术意义和发展方向这项成果代表了在InP衬底上制造的C波段InAs QD VCSEL首次成功实现电泵浦。该成就为下一代光通信系统提供了新的技术路径，可以利用量子点有源层的独特优势，包括高温工作稳定性和高速直接调制能力。
虽然目前13毫安阈值电流和0.17毫瓦输出功率的性能指标代表了重要进步，但商业应用仍需进一步优化。实用的通信VCSEL通常需要低于1毫安的阈值电流和超过1毫瓦的输出功率。未来的研究方向集中在优化器件架构、增强光学增益以及改善载流子向量子点有源层的注入效率。
在不使用表面光栅的情况下成功实现偏振控制代表了制造工艺的显著优势，在保持光通信和传感应用所需的关键偏振特性的同时简化了器件制造。随着这项技术的不断成熟，有望实现成本效益高、高速的光收发器，能够在高温下可靠工作，同时提供下一代光子系统所需的性能特征。
研究团队通过在InP(311)B衬底上应用应变补偿技术，成功解决了量子点有效体积小导致的光学增益不足问题。通过精确控制InAs层和InGaAlAs间隔层之间的应变平衡，实现了高质量的量子点层生长，为C波段电泵浦激光器的实现奠定了基础。
这项工作的技术创新不仅在于实现了C波段的电泵浦振荡，更在于展示了通过材料工程和器件设计的精密结合可以克服传统技术限制。量子点的椭圆形态天然提供了偏振控制能力，这为需要特定偏振特性的应用提供了直接的解决方案。
从制造工艺角度看，埋藏隧道结(BTJ)技术的应用确保了高效的载流子注入，这对于实现低阈值电流和高输出功率至关重要。通过优化隧道结的几何形状和材料组成，可以进一步改善器件性能，使其更接近商业应用要求。
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