本發(fā)明涉及半導體光電子，具體涉及一種降低硅基片上半導體量子點激光器線寬的方法。

背景技術(shù)：

1、近幾十年，光電子學一直是現(xiàn)代信息社會發(fā)展的驅(qū)動力。隨著5g、云計算和人工智能等技術(shù)的出現(xiàn)及人們對于更高網(wǎng)絡速度的追求，信息量的激增給電信領(lǐng)域帶來前所未有的挑戰(zhàn)。微電子芯片遵循的“摩爾定律”指出：集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。集成度的提高是以微細加工尺寸的不斷縮小為基礎(chǔ)的。然而縮小尺寸是有限度的，因此必須尋找新的出路來提高信息的速率和容量。硅基光電子芯片因為其成本低、所占空間小、能效高、集成密度高等特點正在迅速發(fā)展，被認為是下一代數(shù)據(jù)中心主流數(shù)據(jù)傳輸最具前景的解決方案。在新一代通信和計算需求的推動下，硅基光電子技術(shù)得到了長足的發(fā)展，并以光電子與微電子的深度交融為特征成為后摩爾時代的核心技術(shù)。

2、半導體激光器作為光通信系統(tǒng)的核心部件，對整個系統(tǒng)的性能起到了至關(guān)重要的作用。低成本、低功耗、高性能的小型半導體激光光源是新一代高速光通信網(wǎng)絡的理想光源。零維的量子點(quantum?dot,qd)材料具有能級離散分布的特點使得其對于位錯缺陷不敏感，且qd激光器已被證實了具有低閾值電流密度、高溫度工作特性、強抗反射性等特點，有望成為光子集成電路(photonic?integrated?circuits,pics)中最理想的光源。噪聲特性是評估片上光源的重要指標，而且不僅對于pics，而且對于超級數(shù)據(jù)中心和城域數(shù)據(jù)鏈路中低成本數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓獍l(fā)射機都迫切需要低噪聲光源。

3、半導體激光器中的光噪聲包括相對強度噪聲和頻率噪聲，后者通常轉(zhuǎn)化為譜線寬度。在目前半導體激光器的應用中，即使沒有施加電流調(diào)制，隨機載流子和光子復合和產(chǎn)生事件也會在載流子和光子密度中產(chǎn)生瞬時時間變化。光子密度的變化導致輸出功率大小的變化，從而產(chǎn)生本底噪聲，載流子密度的變化導致輸出波長的變化，從而為激光模式創(chuàng)造了有限的光譜線寬。

4、窄線寬激光器對于相干通信、自由空間光通信等應用很重要。數(shù)字相干技術(shù)也是光通信(包括數(shù)據(jù)中心和接入網(wǎng)絡)的關(guān)鍵要素。原則上，相干系統(tǒng)能夠檢索光信號的幅度和相位信息，但代價是對發(fā)射器和本振的相位噪聲較敏感。為了保持穩(wěn)定的外差檢測，需要窄線寬半導體激光器。半導體激光器必須強烈抑制放大的自發(fā)發(fā)射噪聲，才能在這些應用中實現(xiàn)窄線寬操作。探究光學注入鎖定操作對于硅基激光器線寬特性的影響，對于提升硅基qd激光器的性能具有重要意義。

5、雖然通過增加激光源的偏置電流可以實現(xiàn)降低相對強度底噪，但這會帶來不必要的額外能耗。通過外部光學反饋雖然也可以降低線寬，但需要精確控制反饋強度，否則光反饋會導致激光不穩(wěn)定，產(chǎn)生混沌、相干坍縮等狀態(tài)，操作起來很麻煩。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種降低硅基片上半導體量子點激光器線寬的方法，通過使用外部激光注入操作，調(diào)節(jié)主激光器的注入激光功率和注入激光波長，能夠顯著降低從激光器的線寬，而且抑制了從激光器的基態(tài)線寬在激發(fā)態(tài)閾值附近的跳變現(xiàn)象，同時抑制了兩個能態(tài)的線寬再展寬現(xiàn)象，使得硅基片上半導體量子點激光器能夠在很大的電流范圍內(nèi)保持窄線寬操作，解決了現(xiàn)有技術(shù)中增加激光源的偏置電流降低線寬能耗高、精確控制外部光學反饋強度降低線寬操作難度大的問題。

2、本發(fā)明提供的一種降低硅基片上半導體量子點激光器線寬的方法，包括：

3、步驟1，搭建光學注入鎖定半導體激光器系統(tǒng)，擇定主激光器和待優(yōu)化的從激光器，采用電流泵浦源作為主激光器和從激光器的驅(qū)動源；

4、步驟2，計算從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍，根據(jù)主激光器和從激光器的相關(guān)參數(shù)計算從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍，即主激光器光學注入耦合降低從激光器線寬的注入激光功率范圍和注入激光波長范圍；

5、步驟3，獲得從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍內(nèi)最優(yōu)的線寬值，在不同偏置電流下調(diào)整主激光器的注入激光功率范圍和注入激光波長范圍，同時對從激光器的光譜線寬進行計算，最終得到不同偏置電流下反復調(diào)整主激光器的注入激光功率范圍和注入激光波長范圍能獲得的從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍內(nèi)最優(yōu)的線寬值，其計算方式如下：

6、雙態(tài)硅基片上半導體量子點激光器電子結(jié)構(gòu)簡化后的三能級速率方程模型由二維載流子池rs和有源區(qū)內(nèi)的量子點系綜組成，有源區(qū)內(nèi)包括兩個能級，四重簡并激發(fā)態(tài)es和二重簡并基態(tài)gs，本模型假設(shè)有源區(qū)僅有一種量子點，不考慮由于點的尺寸不均勻而導致的增益分布的非均勻展寬，電子和空穴被認為是中性激子，外部載流子直接注入到二維載流子池rs中，載流子首先以時間從二維載流子池rs被捕獲到激發(fā)態(tài)es，然后以弛豫時間從激發(fā)態(tài)es弛豫到基態(tài)gs，由于熱效應，載流子以逃逸時間從基態(tài)gs熱弛豫到激發(fā)態(tài)es，同樣以逃逸時間從激發(fā)態(tài)es熱弛豫到二維載流子池rs，該過程由準平衡態(tài)的費米分布決定，此外，載流子也會以自發(fā)輻射時間自發(fā)重組，各能級的非輻射復合由τsrh表示，模型同時包括了光學注入項sinj，建立如下描述載流子數(shù)nrs，es，gs、光子數(shù)ses，gs和電場相位φes，gs動力學的速率方程，

7、

8、式中，i為從激光器的電流泵浦源的偏置電流，q為電子電荷，γp為光學約束因子，υg為群速度，τp為光子壽命，βsp為自發(fā)輻射因子，為基態(tài)gs對線寬增強因子的貢獻，為分別與激發(fā)態(tài)es和二維載流子池rs貢獻相關(guān)的系數(shù)，frs，es，gs，為朗之萬噪聲，分別表示載流子、光子和相位噪聲源，在進行光注入操作時，在式(2-4)至(2-7)中加入光學注入項，此時公式應寫為，

9、

10、其中，sinj為主激光器注入光子數(shù)，定義rinj＝sinj/s0為注入比，s0為從激光器自由運行時光子數(shù)，δωinj為頻率失諧量，定義為主激光器和從激光器之間的頻率差，即δωinj＝ωmaster-ωslaυe，kc為主激光器和從激光器之間的耦合系數(shù)，定義為l為激光器腔長，r為腔面反射率，通過小信號分析，采用cramer法則，從激光器的線寬fn最終計算公式如下：

11、

12、其中，δφ(ω)為相位波動，通過公式，用低頻fn來近似從激光器的本征線寬。

13、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟1中，待優(yōu)化的從激光器為需要被降低線寬的硅基片上半導體量子點激光器。

14、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟1中，主激光器為具有窄光譜線寬的單?？烧{(diào)諧激光器。

15、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟2中，從激光器的相關(guān)參數(shù)包括輸出功率范圍、輸出激光波長范圍、光學參數(shù)和從激光器的線寬，主激光器的相關(guān)參數(shù)包括輸出功率范圍和輸出激光波長范圍，從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍為主激光器光學注入后耦合降低從激光器線寬的注入激光功率范圍和注入激光波長范圍。

16、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟2中，主激光器的光耦合到從激光器中光學注入鎖定激光器的動態(tài)特性取決于注入比和頻率失諧，注入比為主激光器的功率與從激光器在同樣偏置電流下自由運行時的功率之比，頻率失諧是主激光器和從激光器之間的頻率偏移，通過調(diào)整主激光器的注入激光功率范圍和注入激光波長范圍能夠調(diào)整注入比和頻率失諧。

17、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟3中，通過改變從激光器的電流泵浦源的偏置電流i，對不同偏置電流下的注入?yún)?shù)空間的光譜線寬進行計算，能夠在從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍內(nèi)提取出最優(yōu)的線寬值。

18、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟3中，在從激光器的光學注入鎖定區(qū)域范圍內(nèi)提取出最優(yōu)的線寬值的量級能夠達到毫赫茲量級。

19、本發(fā)明作進一步改進，在所述步驟3中，低頻fn即低頻的頻率噪聲，也就是從激光器的本征線寬。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供一種降低硅基片上半導體量子點激光器線寬的方法，通過使用外部激光注入操作，調(diào)節(jié)主激光器的注入激光功率和注入激光波長，能夠顯著降低從激光器的線寬，而且抑制了從激光器的基態(tài)線寬在激發(fā)態(tài)閾值附近的跳變現(xiàn)象，同時抑制了兩個能態(tài)的線寬再展寬現(xiàn)象，使得硅基片上半導體量子點激光器能夠在很大的電流范圍內(nèi)保持窄線寬操作，相比于現(xiàn)有增加激光源的偏置電流的方式和精確控制外部光學反饋強度的方式，優(yōu)化效果不僅更好，而且能耗低，操作更為簡單，解決了現(xiàn)有技術(shù)中增加激光源的偏置電流降低線寬能耗高、精確控制外部光學反饋強度降低線寬操作難度大的問題。