加州大學研究團隊開發了一種高效能的矽量子點鎖模鐳射器
[據物理學組織網站2019年02月13日報道]最近，加州大學聖巴巴拉分校電子和計算機工程教授John Bowers與其研究團隊在矽量子點鎖模鐳射器方面取得了重要的進展。這種技術不僅可以提高未來資料中心、電信公司和網路硬體產品的資料傳輸能力，而且具有矽光子的高穩定、低噪聲和能源效率等特性。
世界上的資料流量正在快速增長。一般來說，最先進電信基礎設施的傳輸速率和資料容量必須大約每兩年翻一番，才能維持高水平的效能。這意味著，即便是現在，英特爾(Intel)和思科(Cisco)等科技公司為了保持競爭力也必須將目光投向2024年以後的硬體市場。這篇研究論文發表在《Optica》雜誌上。
Bowers研究團隊在矽襯底上直接生長出多通道、20千兆赫、被動鎖模量子點鐳射器。這臺鐳射機具有每秒4.1兆位元的傳輸能力，比目前的商業標準超前了10年，目前乙太網的資料傳輸速度達到每秒400吉位元。
這項技術利用的是成熟的波分複用（WDM）技術。波分複用（WDM）技術使用不同波長(顏色)在一根光纖上傳輸大量並行訊號。它使我們的通訊、娛樂和商業所依賴的快速資料傳輸成為可能。Bowers研究團隊的這項技術利用了電信、光子學和材料等領域的一些進展，利用量子點鐳射（一種微小的光源）發射光波，並通過光波來傳輸資料。
Bowers團隊的博士後研究員、論文第一作者Songtao Liu說：“我們希望在廉價的光源中產生更多的相干波。量子點可以提供廣泛的增益曲線，這就是為什麼我們可以實現多通道。”他們的量子點鐳射器具有64個通道，間距為20 GHz，可以用作傳送器來提高系統容量。該鐳射器能夠被動“鎖模”—一種鎖定縱模，相位和頻率鎖定的技術—以防止鐳射腔內產生噪聲並穩定資料傳輸。
這項技術代表了矽電子和光子積體電路領域的一項重大進展。在矽電子和光子積體電路中，其主要目標是建立使用光(光子)和波導(在資料容量、傳輸速度和能源效率方面具有巨大優勢)元件，甚至取代電子和電線。矽是一種很好的材料，因為它可以引導和儲存光的質量，而且易於低成本的大規模製造，但它卻不適合產生光。
如果想要高效地產生光，需要直接帶隙半導體，矽是一種間接帶隙半導體，Liu說，他指的是發光固體的理想電子結構特性。Bowers團隊的量子點鐳射器是在加州大學聖巴巴拉分校逐個分子生長在矽表層上的。這種結構除了矽本身眾所周知的光學和製造優勢外，還利用了幾種半導體材料的電效能(包括它們的直接帶隙)。
隨著科技公司尋求提高資料容量和傳輸速度的途徑，這種量子點鐳射器以及類似的器件有望成為電信和資料處理領域的標準。Bowers指出：“資料中心現在正在購買大量的矽光子收發器，它從兩年前的一無所有開始。”