加州大学开发出一种高性能的硅量子点锁模激光器

最近，加州大学圣巴巴拉分校电子和计算机工程教授John Bowers与其研究团队在硅量子点锁模激光器方面取得了重要的进展。这种技术不仅可以提高未来数据中心、电信公司和网络硬件产品的数据传输能力，而且具有硅光子的高稳定、低噪声和能源效率等特性。

世界上的数据流量正在快速增长。一般来说，最先进电信基础设施的传输速率和数据容量必须大约每两年翻一番，才能维持高水平的性能。这意味着，即便是现在，英特尔(Intel)和思科(Cisco)等科技公司为了保持竞争力也必须将目光投向2024年以后的硬件市场。这篇研究论文发表在《Optica》杂志上。

Bowers研究团队在硅衬底上直接生长出多通道、20千兆赫、被动锁模量子点激光器。这台激光机具有每秒4.1兆比特的传输能力，比目前的商业标准超前了10年，目前以太网的数据传输速度达到每秒400吉比特。

这项技术利用的是成熟的波分复用（WDM）技术。波分复用（WDM）技术使用不同波长(颜色)在一根光纤上传输大量并行信号。它使我们的通信、娱乐和商业所依赖的快速数据传输成为可能。Bowers研究团队的这项技术利用了电信、光子学和材料等领域的一些进展，利用量子点激光（一种微小的光源）发射光波，并通过光波来传输数据。

Bowers团队的博士后研究员、论文第一作者Songtao Liu说：“我们希望在廉价的光源中产生更多的相干波。量子点可以提供广泛的增益曲线，这就是为什么我们可以实现多通道。”他们的量子点激光器具有64个通道，间距为20 GHz，可以用作发送器来提高系统容量。该激光器能够被动“锁模”—一种锁定纵模，相位和频率锁定的技术—以防止激光腔内产生噪声并稳定数据传输。

这项技术代表了硅电子和光子集成电路领域的一项重大进展。在硅电子和光子集成电路中，其主要目标是创建使用光(光子)和波导(在数据容量、传输速度和能源效率方面具有巨大优势)元件，甚至取代电子和电线。硅是一种很好的材料，因为它可以引导和保存光的质量，而且易于低成本的大规模制造，但它却不适合产生光。

如果想要高效地产生光，需要直接带隙半导体，硅是一种间接带隙半导体，Liu说，他指的是发光固体的理想电子结构特性。Bowers团队的量子点激光器是在加州大学圣巴巴拉分校逐个分子生长在硅表层上的。这种结构除了硅本身众所周知的光学和制造优势外，还利用了几种半导体材料的电性能(包括它们的直接带隙)。

随着科技公司寻求提高数据容量和传输速度的途径，这种量子点激光器以及类似的器件有望成为电信和数据处理领域的标准。Bowers指出：“数据中心现在正在购买大量的硅光子收发器，它从两年前的一无所有开始。”

自从Bowers 十年前展示了世界上第一种混合硅激光器(与英特尔合作的成果)以来，硅光子学领域一直致力于创造更高效率、更高性能的技术，同时着眼于大规模生产。硅量子点激光器是最先进的技术，它能为未来设备提供所需要的卓越性能。Bowers说：“我们的目标还很遥远，而这正是大学研究应该做的。”