Photonics Research 2022年第5期Editors' Pick：
Jianan Duan, Bozhang Dong, Weng W. Chow, Heming Huang, Shihao Ding, Songtao Liu, Justin C. Norman, John E. Bowers, Frédéric Grillot. Four-wave mixing in 1.3 μm epitaxial quantum dot lasers directly grown on silicon[J]. Photonics Research, 2022, 10(5): 05001264
硅基光电子集成技术被认为是未来半导体技术的发展方向，通过此技术可以在硅衬底上充分发挥不同材料优异的光电性能，可以实现光电器件的低成本、小型化和高集成度。纳米尺度的量子点结构离散分布的特点使其对于硅基外延晶格缺陷不敏感，因此，硅基外延量子点激光器被认为是硅基光电子集成芯片中最具潜力的光源解决方案。
四波混频在基于全光信号处理和密集波分复用的光通信系统中有极高的应用价值，同时也是光学频率梳及相干通信系统中的核心技术。在量子点激光器中，四波混频被认为是驱动频率和模式锁定的原因之一。将自锁模单段式量子点激光器产生的高带宽光频梳应用于密集波分复用系统可以进一步降低系统成本和复杂性，具有广泛的应用前景。
然而，在量子点激光器中使用自锁模效应仍存在诸多挑战。由于激光器的四波混频转换效率受到色散等效应的多方面影响，如何能够将自锁模精确控制到可以应用于密集波分复用系统的程度，需要我们对与模式竞争和四波混频相关的复杂物理相互作用有更加深入的了解。研究人员对量子点激光中四波混频特性的理解受限于传统半导体光放大器的研究方法。
为了弥补此方法的不足，近日，法国巴黎理工学院的研究团队联合美国桑迪亚国家实验室、加州大学圣塔芭芭拉分校研究团队提出并演示了基于硅基外延量子点激光器的四波混频实验，深入研究了对四波混频信号有贡献的相关光学非线性特性。相关研究结果发表于Photonics Research 2022年第5期，并被选遴选为编辑推荐（Editors’ Pick）亮点文章。
该团队比较了未掺杂和p型掺杂硅基外延量子点激光器以及传统量子阱激光器的四波混频特性。如图所示，通过实验测得的四波混频转换效率接近基于多模激光模型的理论值，证明了实验结果的可靠性。同时，结果表明，尽管两种硅基外延量子点激光器拥有相同的四波混频系数，但是p型掺杂量子点激光器的转换信号功率高于未掺杂激光器。
对比p型掺杂和未掺杂硅基外延量子点激光以及量子阱激光的四波混频系数和转换效率
此外，由于接近零的线宽增强因子，量子点激光的四波混频转换带宽不仅是量子阱激光的两倍，而且其四波混频系数和转换效率也比量子阱激光高一个数量级以上，因而促成量子点激光器可以实现稳定的自锁模。文章同时指出，量子点激光器的四波混频转换效率尚未达到其理论极限，其性能具备进一步提升的潜力。
论文第一作者及通讯作者段嘉楠博士表示，“由于半导体光放大器在放大的自发辐射状态下运行，因此传统的基于半导体光放大器四波混频系数测量方法只能复现量子点激光部分三阶非线性特性，而此研究首次对硅基外延量子点激光进行四波混频实验，用于还原激光辐射过程中出现其他光学非线性的情况下获得自锁模的真实情况，并得到量子点激光本征四波混频系数。”
该项研究揭示了硅基量子点激光器通过自锁模产生锁模脉冲和光频梳的机理。值得注意的是，自锁模硅基量子点激光器凭借其低功耗、高转换效率、及简单的设计可以作为集成光频梳的重要补充技术，在片上密集波分复用系统中具备极高的应用潜力。
该工作可以进一步扩展到基于量子点激光器的量子通信系统，例如，量子点激光中的高四波混频系数可以用于产生压缩态光，实现激光器噪声低于标准量子极限。
段嘉楠
哈尔滨工业大学（深圳）
主要研究方向：半导体激光器，激光非线性动力学
段嘉楠，哈尔滨工业大学(深圳)电子与信息工程学院，助理教授，硕士生导师，深圳市海外高层次人才。2014年于华中科技大学获光电信息工程学士学位，2016年和2019年分别于法国巴黎萨克雷大学获光电子硕士和博士学位, 2019-2020年在法国巴黎理工学院从事博士后研究工作。2020年12月起加入哈尔滨工业大学（深圳）担任助理教授。在Photonics Research等高水平期刊和国际会议中发表论文50余篇。曾获2020年法国矿业电信联盟基金会最佳博士论文奖，2021年IEEE Photonics Technology Letters最佳论文奖。
董伯彰
加州大学圣塔芭芭拉分校
主要研究方向：半导体激光器，光学频率梳
董伯彰，美国加州大学圣塔芭芭拉分校博士后研究员。2016年毕业于华中科技大学光电信息学院。2018年于法国巴黎萨克雷大学获光电子硕士学位。2021年于法国巴黎理工学院获光子学博士学位。2019-2020年赴台湾清华大学访学。2022年起在美国加州大学圣塔芭芭拉分校能源效率研究所从事博士后研究工作。在Photonics Research等SCI期刊发表论文16篇。担任Photonics Research、IEEE Journal of Quantum Electronics等国际期刊审稿人。获2022年法国巴黎理工学院最佳博士论文一等奖。
1、Jing Zhang, Chenxi Hao, Wanhua Zheng, et al. Demonstration of electrically injected vertical-cavity surface-emitting lasers with post-supported high-contrast gratings[J]. Photonics Research, 2022, 10(5): 05001170
2、Zhuohui Yang, Zhengqing Ding, Lin Liu, et al. High-performance distributed feedback quantum dot lasers with laterally coupled dielectric gratings[J]. Photonics Research, 2022, 10(5): 05001271
3、Jing-Zhi Huang, Zi-Tao Ji, Jia-Jian Chen, et al. Ultra-broadband flat-top quantum dot comb lasers[J]. Photonics Research, 2022, 10(5): 05001308
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