前沿进展 | 新型宽带量子点频梳光源

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

中国科学院物理研究所、纳米物理与器件实验室张建军、王霆、王子昊团队设计了一种新型量子点锁模光频梳激光器。该激光器可以在O波段产生100 GHz间距的窄线宽超稳定光频率梳(OFCs)，工作温度可达100 °C。在25 °C条件下，以11.5 nm(20个通道)的光带宽（3 dB内）实现了有史以来最宽的平顶光梳。单个通道的平均光线宽测量为440 kHz，不归零码（NRZ）调制速率为70 Gb/s，四电平脉冲幅度调制(PAM-4)为80 Gbit/s。为了进一步扩展梳状带宽，他们又提出了一种独立温度驱动的量子点锁模光频梳激光器阵列，可实现36 nm的光带宽(包含60条模式间距为100 GHz的梳状线)，总传输容量为4.8 Tbit/s。相关成果以“Ultra-broadband Flat-top Quantum Dot Comb Lasers”为题发表在Photonics Research上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

光频梳(OFCs)因为其可以提供等距互锁相干模式，成为精密计量、数据通信和光互连的理想源。在过去的几十年里，人们广泛研究了各种实现片上OFCs的方法，如强度/相位电光调制、孤子微谐振器、增益开关梳和被动锁模激光器(MLLs)。其中半导体锁模激光器具有电驱动的优点，同时不需要外接高功率光泵浦，这使其成为高效、小占用和低功耗的光时分复用(OTDM)和波分复用(WDM)系统光源的理想解决方案。

另一方面，量子点(QD)锁模激光器作为一种有源光频梳发生器，具有小尺寸、低功耗、高带宽、高温度稳定性等优点，是一种理想的多波长光源，适用于数据通信、光互连和激光雷达等应用。

近年来，作为平顶梳状光源的量子点锁模激光器(QD-MLL)由于其线宽增强因子(LEF)小、载流子动态诱导自频率调制快、缺陷不敏感等特性受到了广泛关注，这同时也使得它们对反射和温度不敏感。实验结果表明，量子点锁模激光器可作为理想的宽带梳状源，用于构建未来的大带宽、低功耗光互连芯片。

03 研究创新点

为了实现高质量的半导体锁模激光器，他们设计并且制备了一个O波段100 GHz的InAs/GaAs四阶量子点碰撞脉冲锁模激光器(QD-CPML)[图1(a)和(b)所示]，其3 dB带宽为11.5 nm，打破了同类型锁模激光器的记录。图1 (a) 4阶半导体锁模激光器结构示意图，(b) SEM俯视图通过优化操作条件，在100 GHz模式间距下，在3 dB光带宽内实现了20条梳状线的稳定平顶锁模区域[图2(a)所示]。单个梳状线显示狭窄的平均光学线宽440 kHz[图2（b）所示]。图2 (a) 20 ℃下3 dB带宽为11.5 nm的光谱图，(b) 频率噪声在10~20 GHz的频率范围内，整个梳状谱和每个信道的相对强度噪声（RIN）测量值分别为-160 dB/Hz和-133 dB/Hz[图3（a）所示]。在10分钟和20小时的稳定性测试中，锁模激光器还显示出合理的超长时间波长漂移约200 MHz和1 GHz[图3（b）所示]。图3(a) 相对强度噪声（RIN），(b) 波长时间稳定性在20条梳状线上分别进行了高速大信号调制实验，在70 Gbit /s NRZ[图4（a）所示]和40 Gbaud /s PAM-4[图4（b）所示]调制速率下均获得了较好的眼图。这表明该量子点碰撞脉冲锁模激光器在单梳状激光下具有1.6 Tbit/s的传输能力。图4(a) NRZ 70 Gbit/s 和（b）PAM-4 40 Gbaud/s调制眼图为了进一步增加数据传输带宽，他们还提出了升级的解决方案，使用四个在单独调节温度下工作的量子点CPMLs，最终实现36 nm宽、100 GHz栅格的梳状谱，可产生至少60条梳状谱线，传输容量为4.8 Tbit/s（图5）。图5 通过变温控制量子点光频梳激光器阵列实现光频梳带宽扩展后的光谱图

04 总结与展望

该团队成功地实现了O波段100 GHz四阶量子点碰撞脉冲锁模激光器，其3 dB光谱带宽可达11.5 nm。利用量子点的温度不敏感特性，激光器在20~80 °C温度范围内，激光器可以产生平均带宽为3 dB、超过10 nm的平顶光频梳。

对于单个通道可以达到70 Gbit/s 的NRZ 调制和40 Gbaud/s 的PAM-4调制，整个器件的传输能力可达到1.6 Tbit/s。这种高带宽的量子点碰撞脉冲锁模激光器将被广泛应用于WDM系统、光互连和光子神经网络之中。

中国科学院物理研究所博士研究生黄敬之为第一作者，王霆、王子昊和张建军为共同通讯作者。该工作得到国家重点研究与发展计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.446349推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

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