中国科学院半导体研究所领衔突破：量子点锁模光频梳实现140℃高温稳定运行

中国科学院半导体研究所陈思铭研究员团队联合湖南汇思光电科技有限公司、深圳技术大学及国家信息光电子创新中心，在高速光通信领域取得重大技术突破。研究团队通过创新半导体量子点材料共掺杂技术与碰撞脉冲锁模方案，成功研制出全球首款可在140℃极端温度下稳定工作的100 GHz量子点光频梳激光器，相关成果发表于国际权威期刊《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）。

超宽带宽与超长寿命的双重突破

该量子点光频梳激光器在室温（25℃）下实现14.312 nm的3dB光学带宽，可同时产生26个信道，每个信道支持128 Gb/s的PAM-4调制信号，单芯片总传输容量达3.312 Tb/s。在85℃工业级高温环境下，其关键性能指标几乎无衰减，仍可稳定输出22个信道，支持2.816 Tb/s数据传输。通过1500小时加速老化实验推算，器件平均无故障时间（MTTF）长达207年，较传统光频梳技术提升两个数量级。

研究团队通过优化量子点材料能带结构，将器件工作能耗大幅降低。在25℃和85℃环境下，单比特传输能耗分别低至0.394 pJ和0.532 pJ，较现有技术降低60%以上。器件采用单芯片集成设计，体积较传统光频梳系统缩小90%，可直接嵌入数据中心交换机和AI算力集群的光模块中，为Tbps级光互连提供关键光源解决方案。


（左）锁模光频梳示意图；（中）光频梳器件结构图；（右）室温下26个通道的光谱图

产学研协同攻克技术瓶颈

项目联合体整合了从材料设计到封装测试的全产业链资源：

中国科学院半导体研究所主导量子点材料共掺杂技术与锁模机理研究，通过调控量子点尺寸分布实现超宽光谱输出；
湖南汇思光电科技有限公司提供高均匀性量子点外延片，其自主研发的硅基量子点激光器技术为项目奠定材料基础；
深圳技术大学开发混合尺寸量子点空穴传输层工艺，将暗电流密度降至传统器件的50%，外量子效率提升至65%；
国家信息光电子创新中心完成器件封装与系统集成，其凸字形电光调制器技术使信号传输损耗降低至0.2 dB/cm。

产业化应用前景广阔

该技术已通过中国电信、华为等企业的概念验证测试。在数据中心场景中，单芯片可替代传统12通道光模块，功耗降低80%，延迟压缩至1ns级；在自动驾驶域控制器领域，其抗辐射特性（3MeV质子注量7×10¹³ cm⁻²下性能稳定）可满足车载激光雷达的严苛环境要求。国家信息光电子创新中心总经理肖希透露，首批量子点光频梳芯片将于2026年量产，目标成本较进口产品降低40%。

技术细节揭示创新本质

研究团队通过掠入射小角X射线散射（GISAXS）技术证实，混合尺寸量子点薄膜具有更高的堆积密度和短程无序特性，有效释放了材料应力。时间分辨荧光（TRPL）测量显示，优化后的空穴传输层缺陷密度降低70%，载流子提取效率提升3倍。基于能带分析的中间能带结构设计，同时实现电子阻挡与空穴传输的双重功能，为高温稳定性提供理论支撑。

该成果得到国家重点研发计划“光电子器件与集成”专项支持，项目编号2025YFB2200100。研究团队正与中科院物理研究所合作，开发基于量子点光频梳的微波光子学系统，目标在2027年实现6G通信原型机验证。