将量子点激光器引入硅光，80度下百万小时器件寿命( 二 )

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图|Optica当期封面（来源：Optica4(8),940-944 ， 2017）
再接再厉，克服两大新难题
科研之路从来不会一帆风顺，经过几年后，该方案又遇到两大瓶颈：
第一，当前的硅衬底只能起到衬底作用，研究成果也局限于单一器件的性能提升。如何从单一分立器件、扩展到面向片上光互联的硅基光电器件集成，如何实现多种材料和新机理在硅基平台上的融合，如何将量子点器件上的光、导入硅波导实现真正的硅光，如何形成完整的光产生、传输、调制、处理和探测，仍然是尚未攻克的难题。
第二，硅上外延生长的量子阱激光器只有200小时的工作寿命，而硅上量子点激光器在万雅婷等人的历史工作中，已实现室温下100万小时的使用寿命。即便如此也依然不够，目前数据中心的工作温度是80℃ 。
因此，对于数据中心等对温度要求苛刻的系统来说，稳定的高工作温度可让激光器在无制冷的情况下工作，从而减少温度控制部分，进而大幅减少激光器模块的尺寸和功耗。而如何在80℃高温下，保证激光器的稳定工作是另一大难题。
针对这两项难题，万雅婷所在课题组和一家芯片巨头进行合作，希望延续此前量子阱键合技术十年产业化的成功，以便将硅光技术推上一个新的高峰。
具体来说，近日万雅婷、向超、JoelGuo等人发表在Laser&PhotonicsReviews封面的论文《硅上的高速量子点激光器》，解决了第一项难题。

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图|器件工作原理图（来源：Laser&PhotonicsReviews ， 2100057）
她表示，尽管硅基量子点激光器分立器件的研究，以及量子阱器件通过晶圆键合、在硅上实现片上集成的研究，都已获得长足发展，但将两者进行结合的研究，基本处于“无人区” 。
故此在该研究中，她将第三代异质集成方案与第二代异质集成方案相结合，在外延生长量子点的基础上，引入晶圆键合的步骤，从而让电泵浦产生的量子点激光模场与硅波导产生重叠。再通过锥型波导，将光场逐渐转移从量子点增益介质转移到硅波导。

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图|工艺流程（来源：Laser&PhotonicsReviews ， 2100057）
通过低损耗的硅波导传输，该团队获得了高性能分布式反馈激光器。万雅婷表示，通过低损耗的硅波导传输、以及硅波导结构的设计，相比异质集成量子阱激光器和分立量子点激光器器件，这款硅基异质集成量子点激光器获得了以上两者均无法媲美的性能。

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图|硅基量子点激光器带宽及线宽（来源：Laser&PhotonicsReviews ， 2100057）
事实上，将硅光与量子点激光器结合，不仅具有显著的低成本优势，更兼具两者协同效应所带来的性能优势，为困扰硅光技术的进一步发展提供了具有大规模产业应用前景的解决方案。
而万雅婷作为共同第一作者，联合尚晨、EamonnHughes等合作伙伴，于近日在Optica上发表的《高温可靠的硅量子点激光器》论文，正是前述第二个难题的解决方案。
据她介绍，硅基III-V族材料的外延生长，受限于III-V族和硅的极性不同、晶格失配和热膨胀系数差异，因此会出现反相畴、穿透位错和微裂缝等材料缺陷问题，进而会对器件寿命和工作性能产生严重影响。