量子点激光器在硅基集成推进新一代通信技术的光电子集成

逍遥设计自动化

引言
8 o. F% ]) h( P; X4 ]2 m2 R自1962年半导体激光器发明以来，这项技术已经在光通信和消费电子等众多领域带来了革命性的变化。随着全球互联网流量呈指数级增长——2022年达到4.8泽字节(ZB)，年增长率25%——开发更高能效的光通信系统变得极为迫切。这对数据中心尤其重要，因为数据中心目前消耗了全球约2%的电力。将量子点激光器与硅基光电子技术相结合，为解决这些挑战提供了有效方案，同时为神经网络等新兴应用创造了新机遇[1]。
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/ k" h1 F  o+ x' z" N. [7 T6 I$ Z硅基优势
硅长期以来作为微电子工业的基础材料，在光电子集成方面具有多项显著优势。经过二十多年发展的成熟硅基光电子平台，充分利用了现有的CMOS制造基础设施，同时提供了优异的光学特性。这些特性包括高折射率对比度，可实现低损耗波导和高效光栅耦合器。硅与掺杂技术的兼容性使高速调制器成为现实，而与锗的结合则实现了高效光电探测器。更重要的是，硅基光电子技术通过300毫米晶圆加工提供了大规模制造能力。
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' E* m0 j5 X  T# h8 M9 _, g图1：量子点激光器在硅基上的详细制造工艺流程，展示了从初始衬底准备到最终器件完成的关键步骤。

, |0 S* f1 d( p/ U1 Z8 z0 Q8 K量子点技术突破
/ j6 A6 I3 b) J% m# M# b半导体激光器的发展经历了多次重大进步，从基本的同质结器件发展到复杂的量子阱结构。量子点代表了这一进程中的最新突破。这些纳米尺度结构（通常为数十纳米）在三个维度上限制载流子，形成所谓的"零维"结构。通过在GaAs衬底上外延生长InAs的自组装过程可以形成这些结构。
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1982年，东京大学的荒川泰彦首次提出量子点概念，预言与量子阱激光器相比，量子点激光器具有更低的阈值电流和更好的温度稳定性。量子点中的离散能态创造了近乎对称的增益谱和较小的线宽增强因子，实现了无需光隔离器的窄线宽运行。这些特性使量子点特别适合与硅基光电子技术集成。

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图2：量子点激光器性能的综合表征，显示了(a)封装器件，(b)不同腔长的频率噪声谱，(c)耦合腔设计，以及(d,e)展示超窄线宽运行的噪声测量结果。

集成工艺与结果
量子点激光器在硅基上的异质集成涉及精确的工艺优化。我们在阿卜杜拉国王科技大学的研究团队开发了一种使用500纳米厚硅层的硅绝缘体(SOI)衬底的方法，与标准220纳米平台相比，提供了硅和量子点区域之间更好的模式重叠。

制造工艺始于对SOI晶圆进行三种不同深度的刻蚀：条形波导500纳米，肋形波导231纳米，光栅结构20纳米。然后将含有量子点有源区的GaAs晶圆键合到这个图形化表面上，随后进行衬底移除和后续加工步骤，最终形成激光器结构。
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6 c2 c* U; c+ P( m- r4 i/ t, M量子点有源区与硅波导之间的光耦合通过近场耦合实现，精心设计的锥形结构优化了III-V族材料和硅之间的过渡。最终器件展示了令人印象深刻的性能指标，包括：

边模抑制比大于60dB的单模运行

低阈值电流密度31安培/平方厘米

13千兆赫兹的高调制带宽

自由运行状态下41千赫兹的窄线宽

通过先进腔体设计可能实现亚赫兹线宽
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! z  X* O8 n8 C5 ?+ x0 V未来发展与挑战
虽然硅基量子点激光器在提高光通信能效方面显示出巨大潜力，但要实现大规模生产仍存在多个挑战。需要进一步发展的关键领域包括：

扩展到300毫米晶圆的集成

将量子点激光器与高速硅调制器和光电探测器组合

在数据中心工作条件下进行全面的可靠性测试

在保持高良率的同时优化生产成本

. z$ K5 V8 a9 i% w# H这项技术的应用范围超越了数据中心，延伸到光神经网络、生物化学传感和量子计算等新兴领域。在硅芯片上直接集成高效激光源的能力，可以通过改善性能和可靠性来推动这些领域的发展。
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+ M/ X# e$ M2 K. o量子点与硅基光电子技术的融合标志着一个重要进展，不仅满足了全球通信日益增长的能源需求，还通过降低功耗实现了环境效益，同时为计算和传感领域开创了新应用。随着技术不断成熟，性能提升和环境效益将会持续增长。

参考文献
[1] Prokoshin and Y. Wan, "Quantum-dot lasers on silicon: Integrating quantum-dot lasers on silicon photonic chips promises to create high-speed devices for datacom and other applications," PIC Magazine, vol. III, pp. 50-53, 2024.
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