1.3μm量子点PCSEL首次室温连续工作

    在光通信、激光雷达与硅光子芯片飞速发展的今天，对高性能、低成本、小发散角的光源需求日益迫切。光子晶体表面发射激光器（PCSEL） 作为新一代半导体激光技术，凭借其光子晶体的带边共振原理，可实现水平谐振、垂直出光，具备大单模面积、高功率、窄发散角的突出优势，被视为未来高亮度光源的理想选择。

    要实现PCSEL的大规模应用，关键在于增益介质与谐振结构的高效结合。近年来，InAs/GaAs量子点（QD）材料因其在O波段（~1310 nm）的优异高温性能以及与GaAs、硅基工艺兼容的潜力，成为极具竞争力的增益方案。相较于传统InP基量子阱材料，QD可在更低成本下实现高性能输出，尤其契合硅光集成对光源成本与可靠性的严苛要求。

    然而，QD-PCSEL的研发面临一系列挑战：量子点增益区薄、光学限制因子低、载流子弛豫慢，导致器件的模式增益较低，若谐振腔损耗较高，则难以实现有效激射。此前，掩埋结构的PCSEL已在量子阱体系中实现瓦级以上连续激光输出，但QD体系尚未实现室温连续波工作，瓶颈正在于如何显著降低谐振腔损耗，使得增益达到器件的激射阈值。

    针对这一难题，本团队创新性地采用三晶格光子晶体结构，通过精确设计晶格内空气孔的偏移位置，在维持低基模损耗的同时，优化垂直辐射效率，从而在紧凑的100×100μm光子晶体腔尺寸内，首次实现了InAs/GaAs QD-PCSEL的室温连续波激射。

1.3μm 三晶格QD-PCSEL的器件结构 图源：Optics Express

    实现量子点与光子晶体的高效耦合，并最终实现室温连续激射，精密的材料生长与纳米加工工艺是关键，主要包括有源区生长、光子晶体刻蚀、二次外延三个关键步骤。

    首先在GaAs衬底上，采用分子束外延（MBE）技术精确生长数层InAs/InGaAs量子点DWELL结构。整个有源区上方再生长300 nm厚的p-GaAs层，作为后续光子晶体的蚀刻层。然后在p-GaAs层表面，利用EBL直写技术在100×100μm区域内定义三晶格光子晶体图案，并采用ICP干法刻蚀空气孔，形成高深宽比的二维周期性纳米结构。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术进行二次外延生长，，形成非对称波导结构。最后通过光刻定义圆形台面结构实现电学限制，沉积SiO₂钝化层并开孔，制备电极。

1.3μm 三晶格QD-PCSEL工作特性 图源：Optics Express

    基于上述方法，该量子点光子晶体激光器在10°C下获得139 mA的阈值电流和大于1.4 mW的输出功率，边模抑制比达37 dB，光谱线宽约0.1 nm，具备良好的单模特性，其波长温漂为0.09 nm/K。通过质子注入可将阈值进一步降至80 mA。当前性能主要受限于热阻与电阻，后续通过优化光谱匹配、改善散热与注入结构，有望进一步提升输出功率与效率。

    这一研究突破不仅验证了QD与PCSEL进行集成的可行性，也为开发高性能、低成本的1.3μm波段面发射激光器奠定了关键基础。未来，随着结构设计、材料生长与工艺集成的持续优化，QD-PCSEL有望在数据中心光互连、传感与成像等领域发挥重要作用，推动硅基光电集成迈向新阶段。