IEEE SiPhotonics2025 | 用于硅基光电子集成芯片的超高相干量子点激光器

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引言

窄线宽激光器是许多先进光子系统的核心组件，从相干光通信到激光雷达和高精度光谱学等领域均有广泛应用。虽然光纤激光器在这些应用中表现优异，但其广泛应用面临尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面的限制。光电子集成芯片（PIC）为开发紧凑、可批量生产的相干系统提供了有效方案，但传统半导体激光器难以达到体积庞大的光纤激光器的性能水平[1]。

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量子点技术的优势

量子点（QD）激光器已成为在硅基光电子集成芯片（Si-PICs）中实现超高相干性的卓越解决方案。与传统量子阱（QW）激光器不同，量子点激光器受益于量子化态密度，实现紧密的载流子限制，从而提高注入效率。这种结构优势转化为令人印象深刻的性能指标。

最近的研究表明，直接生长在硅基底上的量子点激光器实现了41 kHz的自由运行本征线宽，而异质集成的量子点激光器达到了更窄的26 kHz线宽。这些成就明显超越了传统量子阱激光器的能力，后者通常表现出数百千赫兹到几兆赫兹范围的线宽。

图1. (a) 自由运行状态下量子点（深蓝色）和量子阱（酒红色）激光器的相对强度噪声（RIN）谱，两者均在固定输出功率0 dBm下运行。(b) 量子点激光器的谱线宽随反馈强度变化的映射图。(c) 量子阱激光器的谱线宽随反馈强度变化的映射图。(d) 在自由运行（酒红色）、低Q值锁定（深蓝色）和高Q值锁定（黑色）条件下，洛伦兹线宽随注入电流的理论变化，彩色三角形符号代表实验数据。(e) 量子点激光器在自由运行（酒红色）和ECL（黑色）工作模式下的频率噪声谱。(f) 量子阱激光器在自由运行（酒红色）和ECL（黑色）工作模式下的频率噪声谱。

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外腔锁定技术实现超高相干性

提升量子点激光器性能的最新突破是应用外腔锁定（ECL）技术。当与低Q值外腔结合时，量子点激光器展示了创纪录的16 Hz本征线宽——比没有外腔锁定的当前量子点激光器低三个数量级以上。

量子点激光器对硅基光电子集成的特殊价值在于其在外部光反馈下的独特稳定性。不同于需要高Q值外腔以避免相干崩溃的传统量子阱激光器，量子点激光器即使在低Q值外腔条件下也能无混沌地运行。这种与简单外腔结构的兼容性显著简化了集成过程，同时提供卓越性能。

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理解量子点激光器的稳定性

量子点激光器在外部光反馈下的非凡稳定性源于两个关键特性：接近零的线宽增强因子（LEF）和较大的阻尼因子。这些特性显著降低了噪声并抑制了相干崩溃——这是困扰传统量子阱激光器在外部光反馈下的不稳定现象。

相对强度噪声（RIN）谱分析表明，量子点激光器中的强阻尼效应抑制了弛豫振荡频率。这种阻尼导致在10 MHz到10 GHz频率范围内的RIN显著降低。在固定输出功率为0 dBm的比较测试中，量子点激光器在10 GHz处表现出极低的RIN值，仅为-153 dB/Hz。

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外部反馈下的卓越性能

当受到外部光反馈时，量子点和量子阱激光器表现出明显不同的行为。随着反馈强度增加，量子点激光器保持稳定的工作状态，而量子阱激光器在相似条件下迅速进入相干崩溃状态。

在测试中，量子点激光器在反馈强度范围从-35到-9.6 dB时保持相干性，在此范围内实现显著的线宽减小。相比之下，量子阱激光器的噪声抑制工作窗口要窄得多，当反馈强度超过仅-37 dB时就进入相干崩溃状态。

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集成潜力与未来展望

量子点激光器与低Q值和高Q值外腔结构的兼容性为硅基光电子集成提供了极大的灵活性。仅使用低Q值外腔，量子点激光器已经比量子阱激光器实现了一个数量级的线宽改进（16 Hz对比116 Hz）。理论分析表明，通过增加外腔的Q因子使其超过激光器腔体本身，有可能进一步将线宽减小到赫兹级别。

这种出色的性能，加上更简单的集成要求，使量子点激光器成为在硅基光电子集成芯片中实现超高相干性的极具竞争力的解决方案。该技术为高性能PIC应用提供了更灵活、更高效的途径，同时大幅改善了SWaP-C指标。

随着硅基光电子技术的持续发展，这些超高相干量子点激光器将促进新一代紧凑、可批量生产的相干系统，在从电信到传感的关键应用领域中能达到或超越传统光纤激光器的性能。