量子點(diǎn)激光器技術(shù)基礎(chǔ)

Innolume通過全面的垂直整合建立了量子點(diǎn)激光器制造領(lǐng)域的地位。制造設(shè)施覆蓋了從設(shè)計(jì)到表征的完整生產(chǎn)鏈，包括基于軟件的芯片設(shè)計(jì)、分子束外延生長(zhǎng)、復(fù)雜的晶圓和芯片制造工藝、先進(jìn)的封裝技術(shù)以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。

圖2：Innolume全面的產(chǎn)品組合光譜圖，顯示了從750nm到1350nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的各種激光產(chǎn)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(xiàng)。

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

公司在德國(guó)多特蒙德設(shè)有III-V激光器制造和測(cè)試設(shè)施，配備兩個(gè)生產(chǎn)型分子束外延反應(yīng)器，每次運(yùn)行可處理3×4英寸晶圓。美國(guó)圣地亞哥設(shè)有硅基光電子設(shè)計(jì)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(wù)超過150個(gè)全球客戶。

量子點(diǎn)激光器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在性能指標(biāo)中得到充分體現(xiàn)。Innolume在DFB激光器領(lǐng)域取得了迄今為止最高的連續(xù)波功率紀(jì)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(zhuǎn)換效率，這是DFB激光器技術(shù)迄今報(bào)告的最高連續(xù)波功率。

這款創(chuàng)紀(jì)錄的器件在1064nm波長(zhǎng)下工作，單面輸出光功率超過700mW連續(xù)波，功率轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)高效的光纖耦合。

該激光器采用的InGaAs/AlGaAs材料技術(shù)，無需過度生長(zhǎng)步驟，在量子阱DFB激光器中實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的效率。這種設(shè)計(jì)在1064nm范圍內(nèi)工作，展現(xiàn)出超過700mW的光功率輸出能力。

量子點(diǎn)技術(shù)最引人注目的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)激光器在溫度范圍內(nèi)保持一致的工作表現(xiàn)。

圖4：O波段高功率InAs/GaAs量子點(diǎn)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(nèi)，在不同工作電流下的轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定性表現(xiàn)。

溫度適應(yīng)性源于量子點(diǎn)中的離散能級(jí)，相比量子阱提供更好的載流子限制效果。這一基本優(yōu)勢(shì)使器件能夠在高達(dá)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(fù)雜性和功耗，同時(shí)在苛刻應(yīng)用環(huán)境中增強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度噪聲低于150dB/Hz，光束發(fā)散角為35×7度。轉(zhuǎn)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。

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

圖5：量子點(diǎn)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(yīng)用圖，展示了800G、1.6T、3.2T等不同速率下的系統(tǒng)架構(gòu)，以及消除光隔離器和降低熱管理要求等優(yōu)勢(shì)。

該技術(shù)能夠?qū)崿F(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(jiǎn)化光學(xué)鏈路顯著降低了聚焦深度和物料清單成本。這些優(yōu)勢(shì)使量子點(diǎn)激光器成為數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算應(yīng)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(shù)支持從DSP型收發(fā)器到LPO/LRO收發(fā)器的演進(jìn)。在光電共封裝系統(tǒng)中，提供單波長(zhǎng)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(zhǎng)混合損耗的優(yōu)勢(shì)。

量子點(diǎn)技術(shù)的可靠性優(yōu)勢(shì)超越了簡(jiǎn)單的性能指標(biāo)，在器件物理學(xué)方面實(shí)現(xiàn)了根本性改進(jìn)。三維量子限制防止了災(zāi)難性光學(xué)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(diǎn)DFB激光器的高加速壽命測(cè)試結(jié)果圖，顯示了在85°C和105°C條件下進(jìn)行的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試，其中138個(gè)和63個(gè)測(cè)試器件在數(shù)千小時(shí)測(cè)試中保持穩(wěn)定性能。

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

在初步的濕熱測(cè)試中，23個(gè)器件在85°C/76%相對(duì)濕度條件下進(jìn)行了500小時(shí)的加電濕熱測(cè)試，采用120mA電流（按GR468標(biāo)準(zhǔn)為1.2倍閾值電流），未觀察到性能退化現(xiàn)象。

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

2025年的技術(shù)成果包括24個(gè)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(nèi)邊模抑制比超過60dB。在10MHz-22GHz范圍內(nèi)的平均相對(duì)強(qiáng)度噪聲略低于135 dB/Hz。測(cè)量的誤碼率在106 Gb/s PAM4調(diào)制下低于KP4-FEC水平，總數(shù)據(jù)速率達(dá)到2.5 Tb/s，重新計(jì)算的64 GB/s NRZ誤碼率低于10^-13。

相比2024年最多11個(gè)通道的表現(xiàn)，2025年的24通道系統(tǒng)代表了量子點(diǎn)梳狀激光器技術(shù)的顯著進(jìn)步，為高容量光通信系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。這項(xiàng)成果在OFC2025會(huì)議上作為截稿后論文發(fā)表，展示了該技術(shù)在光通信領(lǐng)域的最新發(fā)展水平。

參考文獻(xiàn)