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高功率量子點DFB激光器與梳狀激光器技術

更新時間：2025-08-26

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量子點激光器技術基礎

量子點激光器在半導體激光器技術領域具有顯著優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)的量子阱器件展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。這些微觀結構在三個維度上限制電子和空穴，產生的光學和電子特性，使其在高功率應用和先進光通信中表現(xiàn)。

圖1：量子點激光器炒作周期及技術優(yōu)勢對比圖，展示了從1995年到2025年量子點激光器技術的演進過程，以及與硅基光電子和薄膜鈮酸鋰等外部調制技術的協(xié)同發(fā)展。

InAs/GaAs量子點激光器的核心優(yōu)勢包括出色的溫度穩(wěn)定性、顯著降低的背反射敏感性、多波長生成能力、窄激光線寬、低噪聲特性以及增強的可靠性。這些特性源于量子點中的三維量子限制效應，創(chuàng)建了類似原子的離散能級，而不是量子阱中的連續(xù)能帶結構。

量子點技術長期以來一直在等待外部調制技術的成熟，特別是硅基光電子和薄膜鈮酸鋰技術。直接調制速度超過10Gbps的應用受到弛豫振蕩阻尼的限制，而電吸收調制器由于增益吸收比較低也難以實現(xiàn)。在此期間，Innolume開發(fā)了的無再生長步驟的GaAs DFB技術，成功實現(xiàn)了1064nm量子阱的1W連續(xù)波DFB激光器。

1制造工藝與產品組合

Innolume通過全面的垂直整合建立了量子點激光器制造領域的地位。制造設施覆蓋了從設計到表征的完整生產鏈，包括基于軟件的芯片設計、分子束外延生長、復雜的晶圓和芯片制造工藝、先進的封裝技術以及嚴格的質量控制措施。

圖2：Innolume全面的產品組合光譜圖，顯示了從750nm到1350nm波長范圍內的各種激光產品，包括單模激光二極管、光放大器、寬帶光源和多模器件的不同封裝選項。

公司的產品線涵蓋功率可達500mW的單模激光二極管、達到1W的脈沖激光二極管（法布里-珀羅配置）、覆蓋O波段的復雜梳狀激光器（多達37個通道，80 GHz間距）、以及可提供高達700mW輸出且具有廣泛定制選項的法布里-珀羅激光二極管。

公司在德國多特蒙德設有III-V激光器制造和測試設施，配備兩個生產型分子束外延反應器，每次運行可處理3×4英寸晶圓。美國圣地亞哥設有硅基光電子設計和測量實驗室。公司現(xiàn)金流為正，員工總數(shù)75人，包括25名博士和3名數(shù)據(jù)中心專家，在2024年服務超過150個全球客戶。

2破紀錄的性能表現(xiàn)

量子點激光器的技術優(yōu)勢在性能指標中得到充分體現(xiàn)。Innolume在DFB激光器領域取得了迄今為止最高的連續(xù)波功率紀錄，展現(xiàn)出的效率和可靠性。

圖3：1064nm InGaAs量子阱DFB激光器的性能表現(xiàn)圖，顯示超過700mW的連續(xù)波輸出功率和45%的功率轉換效率，這是DFB激光器技術迄今報告的最高連續(xù)波功率。

這款創(chuàng)紀錄的器件在1064nm波長下工作，單面輸出光功率超過700mW連續(xù)波，功率轉換效率保持在45%以上，邊模抑制比超過45dB。偏振消光比超過18dB，光束發(fā)散角為25×7度，能夠通過低成本的柱面透鏡或菲涅爾透鏡實現(xiàn)高效的光纖耦合。

該激光器采用的InGaAs/AlGaAs材料技術，無需過度生長步驟，在量子阱DFB激光器中實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的效率。這種設計在1064nm范圍內工作，展現(xiàn)出超過700mW的光功率輸出能力。

3溫度適應性與工作穩(wěn)定性

量子點技術最引人注目的優(yōu)勢之一在于其的溫度穩(wěn)定性。與在高溫下性能顯著下降的傳統(tǒng)量子阱器件不同，量子點激光器在溫度范圍內保持一致的工作表現(xiàn)。

圖4：O波段高功率InAs/GaAs量子點DFB激光器的高溫工作性能圖，展示了從-40°C到120°C溫度范圍內，在不同工作電流下的轉換效率穩(wěn)定性表現(xiàn)。

溫度適應性源于量子點中的離散能級，相比量子阱提供更好的載流子限制效果。這一基本優(yōu)勢使器件能夠在高達85°C的外殼溫度下工作而無需熱電制冷，顯著降低了系統(tǒng)復雜性和功耗，同時在苛刻應用環(huán)境中增強了可靠性。

該器件在85°C溫度下仍能保持超過55dB的邊模抑制比，相對強度噪聲低于150dB/Hz，光束發(fā)散角為35×7度。轉換效率在60°C工作溫度下仍保持在20%左右，展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度特性。

4下一代光學系統(tǒng)應用

量子點激光器能夠滿足現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的嚴格要求，特別是在可插拔收發(fā)器和光電共封裝應用中表現(xiàn)出色。

圖5：量子點連續(xù)波激光器在可插拔光收發(fā)器和光電共封裝系統(tǒng)中的應用圖，展示了800G、1.6T、3.2T等不同速率下的系統(tǒng)架構，以及消除光隔離器和降低熱管理要求等優(yōu)勢。

該技術能夠實現(xiàn)100mW和150mW的輸出功率，在80°C外殼溫度下工作而無需熱電制冷或光隔離器，通過消除隔離器和簡化光學鏈路顯著降低了聚焦深度和物料清單成本。這些優(yōu)勢使量子點激光器成為數(shù)據(jù)中心和高性能計算應用中高密度、高能效光互連的理想選擇。

在可插拔光收發(fā)器方面，技術支持從DSP型收發(fā)器到LPO/LRO收發(fā)器的演進。在光電共封裝系統(tǒng)中，提供單波長灰光和基于梳狀激光器的DWDM彩光解決方案，具有成本、最小尺寸以及無波長混合損耗的優(yōu)勢。

5可靠性優(yōu)勢與技術發(fā)展

量子點技術的可靠性優(yōu)勢超越了簡單的性能指標，在器件物理學方面實現(xiàn)了根本性改進。三維量子限制防止了災難性光學鏡面損傷，并提供比量子阱器件高100-1000倍的輻射硬度。

圖6：1310nm量子點DFB激光器的高加速壽命測試結果圖，顯示了在85°C和105°C條件下進行的長期可靠性測試，其中138個和63個測試器件在數(shù)千小時測試中保持穩(wěn)定性能。

通過嚴格的壽命測試，Innolume從未觀察到量子點激光器的突然失效，數(shù)千個器件展現(xiàn)出的可靠性表現(xiàn)。在85°C溫度下200mW工作的預期壽命超過7年，完整的Telcordia GR468認證計劃于2025年9月完成。

在初步的濕熱測試中，23個器件在85°C/76%相對濕度條件下進行了500小時的加電濕熱測試，采用120mA電流（按GR468標準為1.2倍閾值電流），未觀察到性能退化現(xiàn)象。

6先進梳狀激光器技術

量子點梳狀激光器技術經歷了從2007年開發(fā)到2025年的持續(xù)改進。最新的成果展現(xiàn)了這一技術在高速光通信中的巨大潛力。

圖7：2025年最新的24通道100GHz網格梳狀激光器進展圖，顯示了2.3 THz鎖定帶寬內的24個梳狀通道，總功率40mW，單通道功率1.67mW，線寬小于2MHz，在頻譜內的邊模抑制比超過60dB。

2025年的技術成果包括24個通道的100 GHz間距、2.3 THz的鎖定帶寬、總功率40mW（每通道1.67mW）、線寬小于2MHz、頻譜內邊模抑制比超過60dB。在10MHz-22GHz范圍內的平均相對強度噪聲略低于135 dB/Hz。測量的誤碼率在106 Gb/s PAM4調制下低于KP4-FEC水平，總數(shù)據(jù)速率達到2.5 Tb/s，重新計算的64 GB/s NRZ誤碼率低于10^-13。

相比2024年最多11個通道的表現(xiàn)，2025年的24通道系統(tǒng)代表了量子點梳狀激光器技術的顯著進步，為高容量光通信系統(tǒng)提供了強有力的技術支撐。這項成果在OFC2025會議上作為截稿后論文發(fā)表，展示了該技術在光通信領域的最新發(fā)展水平。

參考文獻

[1] Kovsh, "High Power DFB and Comb Lasers based on QDs," Innolume, Dortmund, Germany, Tech. Rep., July 2025.

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