量子点激光器的特点(耐受,可靠性)和应用(激光雷达,光互连)介绍_日本QD Laser

日本QD Laser公司专注于量子点激光器的研发与生产，这种激光器在英文中被称为Quantum dot laser。它具备在高温环境下保持高可靠性的优势，并且对外部光反馈具有较高的容忍度，使其成为硅光子学领域中理想的光源选择。本文将对QD量子点激光器的特性及其应用领域进行简要概述。

图1:量子点激光器

QD Laser量子点激光器型号参数表:

日本QD laser量子点激光器的特点：

量子点激光器Quantum dot laser采用分子束外延（MBE）方法制造。MBE方法是一种在超高真空的生长室内，通过从蒸发源蒸发元素，在衬底上进行晶体外延生长的技术。通过多年研发，日本QD Laser深入理解了晶体生长物理学，从而实现了高性能量子点激光器。

图2：原子力显微镜图像：GaAs衬底上的InAs量子点

(a)俯视图  (b)鸟瞰图

QD Laser量子点激光器在高温环境下具有稳定的运行和高可靠性：

硅光子学的一个主要特点是能够利用CMOS工艺实现紧凑且低成本的光发射器/接收器。如果半导体激光器发出的光直接耦合到硅光子电路而不使用透镜，光学耦合损耗会增加，但通过减少组件数量可以进一步降低成本，并使封装更加紧凑。因此，半导体激光器的主要要求之一是高输出功率，以补偿光学损耗。

图3：量子点DFB激光器的光电流特性

图3展示了量子点DFB（分布式反馈）激光器的典型光电流特性，在25°C时获得了90 mW的高光输出功率，在85°C时获得了40 mW的高光输出功率。

图4：85℃下的激光光谱

图4展示了85°C时的激光光谱，其中副模抑制比（显示光输出功率稳定性的指标）大于50dB。这表明量子点DFB激光器在高温下以低噪声运行。

图5  SEQ 图 \* ARABIC 5:Weibull可靠性图

图5展示了可靠性测试的结果，在85°C和95°C下的平均故障时间（MTTF）分别估计为280,000小时和112,000小时，这表明其在实际应用中具有足够的可靠性。在“量子阱”激光器中，由于电流或光在运行过程中产生的应力，活性层中会产生位错，位错会在连续的活性层平面上传播，导致快速退化。而在“量子点”激光器中，每个量子点在空间上是分离的，位错不会传播到周围区域，因此被认为具有高可靠性。

量子点激光器优异的光反馈耐受性：

当量子阱激光器用于光纤通信时，光纤连接点反射返回的光会使激光器内部的光强度不稳定，并可能增加噪声。为了解决这个问题，通常在激光器和光纤之间放置光隔离器，但在硅光子学中，为了减少组件数量和组装成本，希望使用不需要隔离器的光源。

图6：光反馈与相对强度噪声的关系

图6展示了光反馈耐受性的测量结果，纵轴表示RIN（相对强度噪声），图中向上表示光源噪声增加。即使光反馈增加，量子点激光器的光反馈噪声也优于量子阱激光器。这一结果表明，量子点激光器具有优异的光反馈耐受性，有望实现不需要光隔离器的硅光子学。图6中：QW-DFB：量子阱DFB激光器，QD-DFB：量子点DFB激光器，QD-FP：量子点法布里-珀罗激光器

日本QD laser量子点激光器Quantum dot laser的应用：

光互连：

应用于数据中心的硅光子学正在向多通道和更高速发展，以增加传输容量。预计电路板和IC之间的电通信将被光互连取代。为了实现这一点，需要将半导体激光器放置在产生热量的IC附近，因此具有高温高可靠性的量子点激光器比较适合这一应用。此外，量子点激光器具有优异的光反馈耐受性，可以创建超薄光模块，省去隔离器和光学透镜。

图7：超薄光学模块

激光雷达LiDAR：

LiDAR激光雷达是一种通过向外发射脉冲光或连续光并利用光电探测器测量物体反射光的强度和相位来检测物体距离和速度的技术。为了将其应用于高度自动驾驶和机器人技术，希望提高LiDAR的性能并减小其尺寸。此外，需要将探测器和光源靠近或集成在一起。然而，当外部光入射到量子阱激光器时，激光器的光输出功率会变得不稳定，信噪比恶化，检测灵敏度下降。为了解决这个问题，需要在激光光源前安装光学透镜和光隔离器，这会增加组件和组装成本。由于量子点激光器具有优异的光反馈耐受性，预计不需要在激光器前安装透镜和隔离器。此外，在自动驾驶的情况下，需要在高温环境下运行，因此可以利用量子点激光器优异的耐环境特性。

参考文献：[1] K. Mizutani, et al., “Isolator free optical I/O core transmitter by using quantum dot laser”, proc. 2015 IEEE 12th International Conference on Group IV Photonics (GFP), pp.177-178, 2015.