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索尼半导体解决方案公司和日本国立信息通信技术研究所（NICT）称，通过应用应变补偿技术，首次演示了在磷化铟(311)B（InP(311)B）衬底上制备的C波段砷化铟（InAs）量子点垂直腔面发射激光器（QD VCSEL）的电泵浦激光振荡 [Michinori Shiomi et al, Optics Express, v33, p12982, 2025]。
传统C波段光通信的波长范围为1530-1565nm。研究人员认为，与边发射器件相比，VCSEL的主要优势在于速度更快、功耗更低、可进行二维集成。除通信领域外，这些特性也适用于三维传感点阵投影仪，其在大于1.4μm的人眼安全短波红外（SWIR）范围内具有较高的允许曝光水平。
研究团队评论道：“在InP衬底上实现带有InAs量子点有源层的量子点VCSEL的电泵浦振荡，即可通过利用1550nm波长左右的低损耗光纤，显著增强波分复用通信。”
研究人员采用固体源分子束外延在InP(311)B衬底上生长样品（图1）。量子点层之间的InGaAlAs间隔提供了应变补偿，提高了结晶度，并最大限度地提高了量子点密度（约8x1010/cm2）。
图1：（a）光泵浦量子点VCSEL示意图。（b）HAADF-STEM截面图。
在光泵浦实验中，含有5层量子点的材料实现了100nm的半峰全宽和1550nm的设计波长。该器件的激光阈值泵浦功率为45μW，而InGaAsP量子阱（QW）VCSEL的激光阈值泵浦功率为60μW。
研究人员评论道：“量子点VCSEL相较于量子阱VCSEL具有较低的阈值，这可归因于两个因素：量子点结构的体积较小，因而损耗较低；量子点具有类似δ函数的态密度。”
介质分布式布拉格反射器（DBR）中的二氧化硅/二氧化钛（SiO2/TiO2）层对提供了光学约束，使量子点处于电场的波腹。
图2：电泵浦量子点VCSEL的（a）俯视图和（b）截面图。
为实现电泵浦，对材料结构进行了调整（图2）。底部的介电DBR被62个InP/InGaAlAs半导体层对取代。此外，还采用了掺杂硅（Si）和铍（Be）的InGaAs隧道结，以便向InAs量子点区注入空穴。孔径为12μm。
注入25mA脉冲电流时，峰值输出功率为0.17mW（图3）。阈值电流为13mA。研究团队评论道：“光-电流（L-I）曲线中观察到的非线性源于滚转现象，这种现象是偏置条件下热效应引发的载流子溢出造成的。”在15mA电流下，激光波长为1536nm。研究人员表示，通过调整腔长，可以将波长调谐到光通信青睐的1550nm。
图3：（a）量子点VCSEL的光输出功率和电压随电流变化的特性曲线。（b）15mA时的光谱。
光学偏振测量显示，其与InP[-233]方向一致。InP晶体结构也影响了量子点的形状，根据平面视角高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）图像，量子点呈椭圆形，沿InP[-233]方向的长轴为33.0nm，沿InP[01-1]方向的短轴为19.8nm。
研究团队评论道：“由于固有的形状效应，椭圆形量子点的发光特性通常沿其长轴偏振，本研究的结果与这一行为一致。然而，此前报道的晶体生长过程中产生的应变也可能影响偏振控制，这意味着观察到的偏振行为受到形状和应变效应的共同影响。”
良好的光学偏振控制有望开辟一系列应用，而这些应用是量子阱VCSEL难以轻易实现的。
研究团队希望通过进一步的研究，能够在更高温度及高速直接调制条件下实现需要1mA阈值电流和1mW输出功率的通信应用。
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