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中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所陳思銘研究員團(tuán)隊聯(lián)合湖南匯思光電科技有限公司、深圳技術(shù)大學(xué)及國家信息光電子創(chuàng)新中心，在高速光通信領(lǐng)域取得重大技術(shù)突破。研究團(tuán)隊通過創(chuàng)新半導(dǎo)體量子點材料共摻雜技術(shù)與碰撞脈沖鎖模方案，成功研制出全球首款可在140℃極端溫度下穩(wěn)定工作的100 GHz量子點光頻梳激光器，相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊《激光與光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）。 超寬帶寬與超長壽命的雙重突破 該量子點光頻梳激光器在室溫（25℃）下實現(xiàn)14.312 nm的3dB光學(xué)帶寬，可同時產(chǎn)生26個信道，每個信道支持128 Gb/s的PAM-4調(diào)制信號，單芯片總傳輸容量達(dá)3.312 Tb/s。在85℃工業(yè)級高溫環(huán)境下，其關(guān)鍵性能指標(biāo)幾乎無衰減，仍可穩(wěn)定輸出22個信道，支持2.816 Tb/s數(shù)據(jù)傳輸。通過1500小時加速老化實驗推算，器件平均無故障時間（MTTF）長達(dá)207年，較傳統(tǒng)光頻梳技術(shù)提升兩個數(shù)量級。 研究團(tuán)隊通過優(yōu)化量子點材料能帶結(jié)構(gòu)，將器件工作能耗大幅降低。在25℃和85℃環(huán)境下，單比特傳輸能耗分別低至0.394 pJ和0.532 pJ，較現(xiàn)有技術(shù)降低60%以上。器件采用單芯片集成設(shè)計，體積較傳統(tǒng)光頻梳系統(tǒng)縮小90%，可直接嵌入數(shù)據(jù)中心交換機(jī)和AI算力集群的光模塊中，為Tbps級光互連提供關(guān)鍵光源解決方案。 
（左）鎖模光頻梳示意圖；（中）光頻梳器件結(jié)構(gòu)圖；（右）室溫下26個通道的光譜圖 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻克技術(shù)瓶頸 項目聯(lián)合體整合了從材料設(shè)計到封裝測試的全產(chǎn)業(yè)鏈資源： 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所主導(dǎo)量子點材料共摻雜技術(shù)與鎖模機(jī)理研究，通過調(diào)控量子點尺寸分布實現(xiàn)超寬光譜輸出； 湖南匯思光電科技有限公司提供高均勻性量子點外延片，其自主研發(fā)的硅基量子點激光器技術(shù)為項目奠定材料基礎(chǔ)； 深圳技術(shù)大學(xué)開發(fā)混合尺寸量子點空穴傳輸層工藝，將暗電流密度降至傳統(tǒng)器件的50%，外量子效率提升至65%； 國家信息光電子創(chuàng)新中心完成器件封裝與系統(tǒng)集成，其凸字形電光調(diào)制器技術(shù)使信號傳輸損耗降低至0.2 dB/cm。 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景廣闊 該技術(shù)已通過中國電信、華為等企業(yè)的概念驗證測試。在數(shù)據(jù)中心場景中，單芯片可替代傳統(tǒng)12通道光模塊，功耗降低80%，延遲壓縮至1ns級；在自動駕駛域控制器領(lǐng)域，其抗輻射特性（3MeV質(zhì)子注量7×10¹³ cm⁻²下性能穩(wěn)定）可滿足車載激光雷達(dá)的嚴(yán)苛環(huán)境要求。國家信息光電子創(chuàng)新中心總經(jīng)理肖希透露，首批量子點光頻梳芯片將于2026年量產(chǎn)，目標(biāo)成本較進(jìn)口產(chǎn)品降低40%。 技術(shù)細(xì)節(jié)揭示創(chuàng)新本質(zhì) 研究團(tuán)隊通過掠入射小角X射線散射（GISAXS）技術(shù)證實，混合尺寸量子點薄膜具有更高的堆積密度和短程無序特性，有效釋放了材料應(yīng)力。時間分辨熒光（TRPL）測量顯示，優(yōu)化后的空穴傳輸層缺陷密度降低70%，載流子提取效率提升3倍�；谀軒Х治龅闹虚g能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時實現(xiàn)電子阻擋與空穴傳輸?shù)碾p重功能，為高溫穩(wěn)定性提供理論支撐。 該成果得到國家重點研發(fā)計劃“光電子器件與集成”專項支持，項目編號2025YFB2200100。研究團(tuán)隊正與中科院物理研究所合作，開發(fā)基于量子點光頻梳的微波光子學(xué)系統(tǒng)，目標(biāo)在2027年實現(xiàn)6G通信原型機(jī)驗證。 |
