纳米光子学:量子线给未来更高速网络提供保证

作者：Batrice Dagens、Franois Lelarge、Alain Accard和Guang-Hua Duan Alcatel-Thales III-V实验室 目前，基于自组装纳米结构的激光器引起了很大的关注，这要归因于它的一系列良好特性，比如低阈值电流、高增益以及良好的热稳定性。这些胜于量子阱和大体积激光器的优点，甚至已经吸引Innolume（前NL Semiconductor）投资商业化生产。InAs-on-GaAs量子点激光器的辐射波长为1.1-1.3祄。

虽然Innolume的技术基于量子点，但是他们也对“量子线”越来越有兴趣，其实从本质上来说，量子线就是延伸的量子点。这些结构共享了量子点的很多优点，而且提供了更高的增益来增大激光效率。像量子点激光器一样，在非常低的抖动下，它们能够进行被动锁模来产生短的、高比特率脉冲。上述特性使得这些线基的激光器成为提供高重复率信号源的候选产品，尤其在40和160Gbit/s处，正是未来网络期望的传播速度。这些性质也导致了微波频域的本征“拍频”辐射。因此，量子线激光器也能够成为在10-300GHz范围内潜在的微波源，并拥有很高的光谱纯度。
 

图1.TEM图像的平面图，显示了六层量子线堆叠之上的量子线纳米结构。

目前，基于InAs/InP材料系统的量子点和量子线激光器已经引起了特别的关注，这是因为基于这个材料系统的激光器波长能够用来在1.5祄的光纤光谱窗口进行传输。但是，制造这个波长的量子点激光器并不容易。MOCVD目前还未探明是否能够生长高质量包层薄膜的InAs量子点，而MBE在InP衬底上进行标准方向的生长往往产生线而不是点。这使得研究者或者研究在（100）InP方向上的线基结构，或者研究在（311）B表面上产生的点基结构。

在标准衬底上构造
在位于法国Palaiseau的Alcatel-Thales III-V实验室，我们利用MBE法在（100）面的InP衬底上生长线。这里有一个很大的好处就是这个过程可以与现有的量子阱及体器件的标准制造过程兼容，包括再生过程也是如此。这能够让我们在室温中，生产在InGaAsP量子阱和势垒中的量子线激光器（连续波长）。韩国电子与电讯研究所的一个小组和德国Wrzburg大学的研究团队在InGaAlAs势垒中获得的相似成绩。

我们的激光器基于两种设计，或者是在一个势垒中的线，或者是在一个阱中的线，都是采用气源MBE方法在掺硫磺的衬底上使用Stransky-Krastanow生长模式生产的。应力释放使得1nm厚的InAs层与下面的InGaAsP在形成量子尺寸的结构时产生了4%的晶格失配。在这个过程中，这种“自组织”对InGaAsP的表面各异性是高度敏感的，冲撞沿着[1-10]方向形成，表面密度为1-4×1010cm-2。根据生长条件的不同，它们有15-20nm宽、40-300nm长的范围。线的尺寸影响着激光器的载流子限制特性以及最终的器件性能。
 

图2.当堆叠层变得比较厚时，为每个单独的层选择合适的生长条件，这能够弥补线的尺寸变化。利用这种方法，随着生长层厚度的提高，光致发光谱加宽的现象将被减弱，从而产生了适合做高性能激光器的外延层材料。

量子尺寸结构制作的激光器，器件的光模式作用区域相对小是其缺点之一。一般来说，在激光器的光学模式下，仅0.15%的激励被真正约束在量子-冲撞层——这要比一个量子阱层少6倍之多。因此，为了提高模式增益，量子冲撞层在间隔层之间尽可能成叠地靠在一起。但是，这会影响线密度和尺寸，减弱激光波长处的模式增益，并且妨碍器件性能（图2）。尤其当间隔层的厚度小于60nm时，这种变化将会加剧。

堆叠成功
利用这种方法，我们生长了势垒中的线结构和阱中的线结构，其辐射在1.5- -1.6 m（图3）。对于最初的分析，我们处理了辐射从1250到1650nm的光谱范围的宽区域（BA）激光。增益饱和现象，这个使InAs/GaAs系统苦恼不已的问题，在这些光谱中已不复存在了。 
 

阈值电流测量显示了阱中的线结构提供了更好的载流子注入——在这种结构中，阈值电流密度为每层110A/cm2，相比而言，势垒中的线激光器的每层阈值电流密度为190A/cm2。对于一个基于六层量子阱的设计而言，内量子效率为80%。

我们通过传统的方法评定了温度性能，决定了“特征温度”T0值，这是一个众所周知的性能因数。这个因数会受到阈值电流的稳定性和载流子受限性的影响，较高的值预示着激光能够在较高的温度下工作。对于一个阱中线系统，T0能够通过窄化阱的宽度而增加，这种方法增加了阱的能量，抑制了线层的电子流。

通过这种方案，我们制成了T0=100K的器件，工作温度为20-80℃，这种方法也产生了单横模的Fabry-Prot激光器，阈值电流在25℃时仅为12mA（图4），在温度在25-85℃之间的T0=80K。从温度性能上来讲，该方案胜过标准的1.55μm无Al多量子阱激光器，这已经是一个非常重大的进步了。

我们利用BRS激光技术开发了这些Fabry-P rot激光器；在激光器的生产中，采用专为InGaAsP多量子阱激光器建立的标准处理步骤来制作：1）用等离子蚀刻形成1-2μm宽的纹脉波导；2）借助MOCVD再生长以增加p型掺杂InP包层和GaInAs接触层；3）用质子培植法定义贯通器件的电流。如此，一个由电子束光刻定义的用于单模辐射的分布反馈式结构就这样形成了。
 

我们制作的器件中包含了一个205μm长的BRS激光器，它拥有一个高反膜背面以及六个阱中线层的DFB结构。这个器件在15-85℃工作温度范围内产生连续波（图5），拥有一个1512nm的主激光模式，其中边模抑制比（SMSR）为45.5dB。这是量子线或者量子点激光器首次进行直接的10Gbit/s调制传输下无基底误码率测试。信号在光纤中传播了16km的距离，接收功率是-6dBm，误码率低于1/1011；如此低的误码率，为量子冲撞激光器在通信领域的应用提供了极具价值的保证。

这些激光器还有应用在微波领域的潜能。18个月之前，我们报道了使用锁模1.5μm量子点激光器和全光时钟恢复产生的低抖动、高比特率短脉冲。一个Fabry-Prot量子点激光器的本征差拍频谱的典型FWHM值为15kHz，相比之下，一个大体积DBR激光器的FWHM值为1.5MHz。我们的量子线激光器在体积和基于量子阱方面，比前几代激光器有了非常大的进步，我们期望它们能够在微波频域展现出更好的性能。 
 

未来我们将注重如何精确控制这些纳米结构的形状。这样就能够优化量子线异质结激光器的设计并且提升激光器的动态性能。我们也将继续发展应用在光纤通信和毫米波发生领域的基于量子线的锁模激光器，并且探索它们卓越的相位噪声和时间抖动特性。

作者简介
Batrice Dagens负责可调激光器和光子集成电路的发展。Franois Lelarge负责MBE的生长，特别定位于量子线材料。Alain Accard负责激光器的开发和制作。Guang-Hua Duan是电信应用小组激光研究组的负责人。他们感谢欧盟ZODIAC项目和法国ROTOR项目的支持。同时，对参与讨论的A Ramdane和B Lavigne、以及提供透射电子显微镜观察的G Patriarche表示感谢！