【量子点激光器的科学与工程】自从1960年发展以来，激光已成为支持我们现代社会不可或缺的工具，在医学，信息和工业等领域得到应用 。由于其紧凑的尺寸和能量效率，半导体激光器现在是最重要的激光类别之一，使各种应用成为可能 。然而，典型半导体激光器的阈值电流 - 诱导激光所需的最小电流 - 随温度而增加 。这是使用量子点激光器可以克服的许多缺点之一 。东京大学工业科学研究所的Yasuhiko Arakawa教授从概念到商业化，一直在研究量子点激光器约35年 。
阳光由各种颜色的光组成 。确定光的颜色的属性是其波长，或换句话说，两个连续波峰或波谷之间的距离 。波形中波峰和波谷的位置称为相位 。当激光器以相同波长的均匀相位发射光波时，光可以作为光束以高强度长距离传输 。
当原子核周围的一个轨道中的电子以较低的能量移动到另一个轨道时，光从原子发出 。这种光的波长由两个轨道之间的能量差决定，并且由于自然界中每个原子只允许某些轨道，如果原子属于同一类型，电子将发出相同波长的光 。
在普通半导体中，可以在各种能级发现电子，导致在一定波长范围内发光 。另外，随着温度升高，电子更自由地移动，并且可能的波长范围增大 。因此，有助于在单一波长处产生激光的电子数量减少，并且阈值电流增加 。
Arakawa解释说：“电子具有双重特征，即粒子和波浪的特征 。当电子被限制在称为量子点的小半导体盒中时，其大小与电子的波长大致相同，波状特征占优势，并且电子采用离散的能量值 。利用与激光波长共振的能级组装大量量子点使得可以非常有效地将电子能量转换为激光 。此外，由于每个电子都被捕获在一个三维结构中，当温度升高并且阈值电流不再依赖于温度时，其状态保持不变 。“然后，量子点可用于制造理想的半导体激光(图1) 。
1982年，刚刚被任命为??助理教授的Arakawa与当时的助理教授Hiroyuki Sakaki合作发表了题为“多维量子阱激光器及其阈值电流的温度依赖性”的论文 。(Sakaki现在是东京大学的名誉教授和丰田技术研究所的主席 。)本文是未来35年全球量子点研究浪潮的起点 。
Yasuhiko Arakawa，工程科学家
对于荒川而言，设计一个如何为社会创造价值的计划是一个值得关注的问题，它与基础研究的重要性相吻合，劝诫学生“像工程师一样思考”，“成为一名具有工程师心态的科学家” 。
近红外量子点激光源于他1982年从理论开始的研究，已经在光纤通信等应用中得到应用 。然而，它的发展道路从来没有顺利过 。限制电子的量子点的尺寸是微观的，大约几十纳米 。Arakawa反思理论何时宣布：“我们当然不知道如何制作，或者事实上是否可能 。”然而，他并没有放弃 。
大约在同一时间，1985年，一项法国研究小组在一项无关的研究中试验多层薄膜半导体的形成，使得有机会发现量子点可以自然形成 。这一发现使荒川和他的同事们的道路变得更加顺畅 。
从产学合作到大学主导的风险投资公司
1994年，Arakawa和他的同事使用金属有机化学气相沉积生长的晶体制造了当时最小的量子点 - 这是第一次采用这种方法 。与此同时，富士通实验室的研究人员成功制造出发射波长为1.3微米的近红外光的量子点，适用于光通信 。其中一位研究人员是QD Laser，Inc 。现任总裁兼首席执行官Mitsuru Sugawara，现在Arakawa担任技术顾问 。
正如研究人员追求他们的量子点激光梦想一样，泡沫在光研究中爆发，而Sugawara和他的团队面临着将插头拉到工作上的可能性 。然而，就在这个时候，荒川被选中推出一个由教育，文化，体育，科学和技术部支持的大型项目 。与富士通实验室和其他机构合作，在东京大学成立了工业，政府和学术界之间的开创性合作中心 - 纳米电子协作研究中心，并且荒川被任命为第一任主任 。
2004年，Arakawa和他的同事们最终成功开发了一种具有超高温度稳定性的阈值电流的量子点激光器，如1982年提出的那样(图2) 。科学研究产生用于社会的产品的途径通常涉及从基础研究到应用研究，最后到商业化的过程 。然而，由于相信在早期研究阶段确定社会需求的重要性，Arakawa在2006年与Sugawara一起帮助建立了创业企业QD Laser，并参与了公司的研发活动 。
量子点激光器和量子点的未来
从2011年商业化到2016年中期，已经发运了300多万个量子点激光芯片，主要用作光通信激光器 。当被问及量子点激光器未来将如何被社会使用时，Arakawa提出了两点：“我认为它不会立即取代现有的半导体激光器市场”，并且，“我想针对哪些光通信网络尚未开发并推广应用，以最大限度地发挥其优势 。“这些应用包括使用激光进行测量和处理 。它们的高热阻和低噪声还使得能够在大规模集成电路中使用激光，这些集成电路通过光而不是电来传输信息 。
量子点的用途不仅限于激光器 。它们也可以成为推进量子加密通信和量子计算机的关键技术 。这些需要单光子源一次一个地系统地生成光子，这是量子点理想适合的任务 。在过去15年左右的时间里，Arakawa的研究小组一直在从凝聚态物理和晶体生长技术的角度研究氮化镓量子点研究，并在2016年成功制造了一个运行速度最快的单光子源 。到目前为止达到的温度
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