硅基量子点激光器

“近10年前我刚入行时，有幸结识了厉鼎毅先生，10年后我获得了以他名字命名的纪念奖。”万婷说。

厉鼎毅是万雅婷本科母校浙江大学的名誉教授。他被誉为“光纤通信波分复用之父”，曾用一篇论文“定义了一个领域”。

颁奖当天，她在2021 CLEO PlenaryTalk上看到李老师的照片，感慨万千。拿到这个奖也是对她最大的鼓励。

万雅婷在中国香港科技大学读博士时，曾受邀成为加州大学圣巴巴拉分校材料与电气及计算机工程系教授john powers研究组的访问学生。博士毕业后，她在这里做了近五年的博士研究。

不久前，她和来自同一学校的相超博士作为共同第一作者撰写的论文《快速消失的硅上量子点激光器》也成为了《激光光子学评论》的本期封面论文，也是这位90后学者的第七篇封面论文。

紧接着这篇论文，她和来自尚晨的博士生Eamonn Hughes博士写了一篇题为“高温可靠的硅量子点激光器”的论文，发表在Optica上。

如何实现硅基激光器是这两篇论文的共同点。低能耗、低成本、光学带宽大、传输损耗低是硅基光电集成技术的优势。

而硅的发光效率低，使得硅基光电集成缺少核心光源，因此很难实现硅基激光器。

因此，迫切需要寻找直接带隙且光电性能良好的材料。这时，I I I-V半导体激光器引起了科学家们的注意，将它集中在与硅平台相同的硅片上就可以解决上述问题。

此前，万雅婷的博士后导师鲍尔斯已经率先提出并开发了晶圆/芯片键合方案。

针对这种需求，作为鲍尔斯教授研究组的核心成员，她致力于通过直接从硅材料延伸出I I I I-V材料来实现单片集成。说明该方案更适合大规模生长和批量生产，也是解决硅基光电集成缺少核心光源的理想方案。

与传统研究中使用的量子阱材料不同，万亚婷等人使用的纳米级零维量子点结构对位错缺陷不敏感，阈值电流密度低，工作温度高。

她说，2016年，她也是鲍尔斯集团的博士访问生。当时，她和她的团队在硅基平台上制备了一批高性能、高集成度的硅基量子点激光器，获得了亚波长硅基量子点微盘激光器和低阈值硅基量子点电注入微环激光器。相关论文分别成为《应用物理快报》和《光学》的本期封面。

因此，对于数据中心等对温度要求严格的系统，稳定的高工作温度可以使激光器无需制冷即可工作，从而减少温控部分，从而大大降低激光器模块的体积和功耗。如何保证激光器在80摄氏度的高温下稳定工作是另一大难题。

针对这两个问题，万雅婷课题组与某芯片巨头合作，希望延续过去十年量子阱键合技术产业化的成功，从而将硅光电子技术推向一个新的高峰。

她说，虽然硅基量子点激光器的分立器件研究和量子阱器件通过晶圆键合在硅上的片上集成研究取得了很大进展，但将两者结合起来的研究基本处于“无人区”。

因此，在这项研究中，她将第三代异质集成方案与第二代异质集成方案相结合，在量子点外延生长的基础上引入了晶片键合步骤，使电泵浦产生的量子点激光模场与硅波导重叠。然后，光场通过锥形波导逐渐从量子点增益介质转移到硅波导。

通过低损耗硅波导传输，团队获得了高性能分布反馈激光器。雅婷说，通过低损耗硅波导的传输和硅波导结构的设计，这种硅基异质集成量子阱激光器实现了异质集成量子阱激光器和分立量子点激光器相比无法比拟的性能。

事实上，硅光与量子点激光器的结合不仅具有显著的低成本优势，还具有两者协同效应带来的性能优势，为硅光技术的进一步发展提供了具有大规模工业应用前景的解决方案。

作为共同第一作者，万雅婷与尚晨、E a m o n n H u g h e s等合作伙伴近期在Optica上发表了论文《高温可靠硅量子点激光器》，这是对上述第二个问题的解决方案。

据她介绍，硅基I I I I-V材料的外延生长受限于I I I-V与硅的极性、晶格失配和热膨胀系数的差异，因此会出现反相畴、穿透位错和微裂纹等材料缺陷，对器件寿命和工作性能产生严重影响。

在这项研究中，一方面，她和她的团队通过非对称梯度过滤层将材料的位错密度降低到接近极限值的量级。

另一方面，通过使用俘获层，剩余的材料缺陷被控制在有源区之外。最新的寿命试验结果表明，该器件在80℃下工作4000小时，阈值电流变化仅为6.8%。

万婷表示，这意味着该设备的设备寿命高达百万小时，完全可以满足数据中心等环境温度恶劣的系统的稳定工作。

针对硅基光源和硅基集成技术两个领域的核心问题，万亚婷等人通过上述两项研究，实现了高温鲁棒高性能光源和硅基片上集成。

她说，这两项研究的意义在于，第一个器件的寿命终于可以达到很高的水平，第二个终于可以将量子点有源器件与硅光结合起来。她希望量子激光能从学术研究变成真正的产品，她也期待将这项技术推向半导体学术界和工业界。

现在取得了一些成绩，这也与万雅婷在HKUST的学习经历密切相关。她也非常想念那里的人和事。在HKUST接受全英语教育，帮助你将来出国留学。

雅婷是四川德阳人，1990年出生。2012年6月，万雅婷从浙江大学光电科学与工程学院毕业，后赴香港科技大学电子工程专业学习，并获得博士学位。

在HKUST学习期间，在导师刘继梅教授的带领下，她和她的团队开发了一种硅基微激光器。

她曾这样评价自己的导师刘济美:“从事业、家庭到个人生活，她都是我的榜样。在那个工程研究以男性为中心，性别偏见比现在更严重的年代，刘教授在照顾家庭的同时，工作得到国际认可。”中国香港科技大学依山傍海的环境，让她经常一边看海一边在图书馆学习。

博士期间，我来找美国UCSB大学材料与电气和计算机工程教授约翰·鲍尔斯(john powers)做研究，得到后者的高度评价。

截至目前，万雅婷论文共被引用1434次，最高单次引用119次。他的第一作者成果五年内被七家期刊选为封面。同时，他还担任过十二种国外期刊的审稿人，如L I G H T: S C I E N C E Applications，Scientific Reports和OSA journal Optics Letters。

此外，她对在中港科技大学接受的全英文教育心存感激，这也帮助她适应了目前在美国的工作和学习。

展望未来，她说:“不想当将军的士兵不是好士兵。同样，不梦想有所作为的博士生也不是优秀的学生。我渴望在大学校园里时时刻刻和一群有理想的青年学生一起探索未来，永远保持活力。”