We describe the initial efforts to use molecular beam epitaxy to grow InAs quantum dots on GaAs via the Stranski–Krastanov transition and then discuss the initial efforts to use these quantum dots to demonstrate quantum dot lasers. We discuss the developments in quantum dot lasers over the past 20 years and the future prospects for these lasers for scientific and commercial applications.

1.
Y.
Arakawa
and
H.
Sakaki
,
Appl. Phys. Lett.
40
,
939
(
1982
).
2.
M.
Asada
,
Y.
Miyamoto
, and
Y.
Suematsu
,
IEEE J. Quantum Electron.
22
,
1915
(
1986
).
3.
M.
Krishnamurthy
,
J.
Drucker
, and
J.
Venables
,
J. Appl. Phys.
69
,
6461
(
1991
).
4.
D.
Leonard
, private communication (
2020
).
5.
D.
Leonard
,
M.
Krishnamurthy
,
S.
Fafard
,
J.
Merz
, and
P.
Petroff
,
J. Vac. Sci. Technol. B
12
,
1063
(
1994
).
6.
D.
Leonard
,
M.
Krishnamurthy
,
C.
Reaves
,
S. P.
DenBaars
, and
P. M.
Petroff
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
3203
(
1993
).
7.
J.
Moison
,
F.
Houzay
,
F.
Barthe
,
L.
Leprince
,
E.
Andre
, and
O.
Vatel
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
196
(
1994
).
8.
L.
Goldstein
,
F.
Glas
,
J.
Marzin
,
M.
Charasse
, and
G.
Le Roux
,
Appl. Phys. Lett.
47
,
1099
(
1985
).
9.
W.
Schaffer
,
M.
Lind
,
S.
Kowalczyk
, and
R.
Grant
,
J. Vac. Sci. Technol. B
1
,
688
(
1983
).
10.
J.-Y.
Marzin
,
J.-M.
Gérard
,
A.
Izraël
,
D.
Barrier
, and
G.
Bastard
,
Phys. Rev. Lett.
73
,
716
(
1994
).
11.
M.
Grundmann
 et al,
Phys. Rev. Lett.
74
,
4043
(
1995
).
12.
R.
Mirin
,
J.
Ibbetson
,
K.
Nishi
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
3795
(
1995
).
13.
K.
Kamath
,
P.
Bhattacharya
,
T.
Sosnowski
,
T.
Norris
, and
J.
Phillips
,
Electron. Lett.
32
,
1374
(
1996
).
14.
R.
Mirin
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Electron. Lett.
32
,
1732
(
1996
).
15.
H.
Shoji
,
Y.
Nakata
,
K.
Mukai
,
Y.
Sugiyama
,
M.
Sugawara
,
N.
Yokoyama
, and
H.
Ishikawa
,
Electron. Lett.
32
,
2023
(
1996
).
16.
N.
Kirstaedter
 et al,
Appl. Phys. Lett.
69
,
1226
(
1996
).
17.
D.
Huffaker
,
G.
Park
,
Z.
Zou
,
O.
Shchekin
, and
D.
Deppe
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2564
(
1998
).
18.
Z. I.
Alferov
,
Sov. Phys. Semicond.
3
,
1107
(
1970
).
19.
Z. I.
Alferov
,
V.
Andreev
,
D.
Garbuzov
,
Y. V.
Zhilyaev
,
E.
Morozov
,
E.
Portnoi
, and
V.
Trofim
,
Sov. Phys. Semicond.
4
,
1573
(
1971
).
20.
R.
Miller
,
R.
Dingle
,
A.
Gossard
,
R.
Logan
,
W.
Nordland
, Jr.
, and
W.
Wiegmann
,
J. Appl. Phys.
47
,
4509
(
1976
).
21.
R. D.
Dupuis
,
P.
Dapkus
,
N.
Holonyak
, Jr.
,
E.
Rezek
, and
R.
Chin
,
Appl. Phys. Lett.
32
,
295
(
1978
).
22.
W.
Tsang
,
Appl. Phys. Lett.
39
,
786
(
1981
).
23.
W.
Tsang
,
Appl. Phys. Lett.
40
,
217
(
1982
).
24.
Z. I.
Alferov
,
A.
Vasiliev
,
S.
Ivanov
,
P.
Kop'ev
,
N.
Ledentsov
,
B. Y.
Meltser
, and
V.
Ustinov
,
Sov. Phys. Techn. Phys. Lett.
14
,
782
(
1988
).
25.
N.
Chand
,
E.
Becker
,
J.
Van der Ziel
,
S. G.
Chu
, and
N.
Dutta
,
Appl. Phys. Lett.
58
,
1704
(
1991
).
26.
N.
Ledentsov
 et al,
Phys. Rev. B
54
,
8743
(
1996
).
27.
G.
Liu
,
A.
Stintz
,
H.
Li
,
K.
Malloy
, and
L.
Lester
,
Electron. Lett.
35
,
1163
(
1999
).
28.
I.
Sellers
,
H.
Liu
,
K.
Groom
,
D.
Childs
,
D.
Robbins
,
T.
Badcock
,
M.
Hopkinson
,
D.
Mowbray
, and
M.
Skolnick
,
Electron. Lett.
40
,
1412
(
2004
).
29.
J.
Kim
,
T.
Strand
,
R.
Naone
, and
L.
Coldren
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
2752
(
1999
).
30.
A. Y.
Liu
,
J.
Peters
,
X.
Huang
,
D.
Jung
,
J.
Norman
,
M. L.
Lee
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Opt. Lett.
42
,
338
(
2017
).
31.
J. C.
Norman
,
D.
Jung
,
Y.
Wan
, and
J. E.
Bowers
,
APL Photonics
3
,
030901
(
2018
).
32.
Z. I.
Alferov
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
767
(
2001
).
33.
D.
Bimberg
and
U. W.
Pohl
,
Mater. Today
14
,
388
(
2011
).
34.
V.
Shchukin
,
N. N.
Ledentsov
, and
D.
Bimberg
,
Epitaxy of Nanostructures
(
Springer Science & Business Media
,
Berlin, Heidelberg
,
2013
).
35.
G.
Eisenstein
and
D.
Bimberg
,
Green Photonics and Electronics
(
Springer
,
Berlin, Heidelberg
,
2017
).
36.
D.
Bimberg
,
M.
Grundmann
, and
N. N.
Ledentsov
,
Quantum Dot Heterostructures
(
John Wiley & Sons
,
Chichester, West Sussex
,
1999
).
37.
M.
Grundmann
,
Nano-optoelectronics: Concepts, Physics and Devices
(
Springer Science & Business Media
,
Berlin, Heidelberg
,
2002
).
38.
J.
Wu
,
S.
Chen
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
48
,
363001
(
2015
).
39.
S.
Pan
,
V.
Cao
,
M.
Liao
,
Y.
Lu
,
Z.
Liu
,
M.
Tang
,
S.
Chen
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
J. Semicond.
40
,
101302
(
2019
).
40.
J. C.
Norman
 et al,
IEEE J. Quantum Electron.
55
,
1
(
2019
).
41.
P.
Bhattacharya
,
S.
Ghosh
, and
A.
Stiff-Roberts
,
Annu. Rev. Mater. Res.
34
,
1
(
2004
).
42.
Z.
Mi
,
J.
Yang
,
P.
Bhattacharya
,
G.
Qin
, and
Z.
Ma
,
Proc. IEEE
97
,
1239
(
2009
).
43.
O.
Stier
,
M.
Grundmann
, and
D.
Bimberg
,
Phys. Rev. B
59
,
5688
(
1999
).
44.
O.
Shchekin
,
J.
Ahn
, and
D.
Deppe
,
Electron. Lett.
38
,
712
(
2002
).
45.
O.
Shchekin
and
D.
Deppe
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
3277
(
2002
).
46.
T.
Kageyama
 et al, The European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), Munich, 22–26 May 2011 (Optical Society of America, Washington, DC, 2011).
47.
A.
Abdollahinia
 et al,
Opt. Express
26
,
6056
(
2018
).
48.
Y.
Urino
,
N.
Hatori
,
K.
Mizutani
,
T.
Usuki
,
J.
Fujikata
,
K.
Yamada
,
T.
Horikawa
,
T.
Nakamura
, and
Y.
Arakawa
,
J. Lightwave Technol.
33
,
1223
(
2015
).
49.
N.
Ledentsov
,
L.
Chorchos
,
O.
Makarov
,
J.-R.
Kropp
,
V.
Shchukin
,
V.
Kalosha
,
J.
Turkiewicz
,
N.
Cherkashin
, and
N.
Ledentsov
,
Proc. SPIE
11300
,
113000H
(
2015
).
50.
A. Y.
Liu
,
C.
Zhang
,
J.
Norman
,
A.
Snyder
,
D.
Lubyshev
,
J. M.
Fastenau
,
A. W.
Liu
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
041104
(
2014
).
51.
C.
Gilfert
,
V.
Ivanov
,
N.
Oehl
,
M.
Yacob
, and
J.
Reithmaier
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
201102
(
2011
).
52.
M.
Osinski
and
J.
Buus
,
IEEE J. Quantum Electron.
23
,
9
(
1987
).
53.
L. A.
Coldren
,
S. W.
Corzine
, and
M. L.
Mashanovitch
,
Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits
(
John Wiley & Sons
,
Hoboken, New Jersey
,
2012
).
54.
M.
Willatzen
,
T.
Tanaka
,
Y.
Arakawa
, and
J.
Singh
,
IEEE J. Quantum Electron.
30
,
640
(
1994
).
55.
W. W.
Chow
and
F.
Jahnke
,
Prog. Quantum Electron.
37
,
109
(
2013
).
56.
T.
Newell
,
D.
Bossert
,
A.
Stintz
,
B.
Fuchs
,
K.
Malloy
, and
L.
Lester
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
11
,
1527
(
1999
).
57.
W. W.
Chow
,
Z.
Zhang
,
J. C.
Norman
,
S.
Liu
, and
J. E.
Bowers
,
APL Photonics
5
,
026101
(
2020
).
58.
J.
Duan
,
H.
Huang
,
Z.
Lu
,
P.
Poole
,
C.
Wang
, and
F.
Grillot
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
121102
(
2018
).
59.
T.
Septon
 et al,
Optica
6
,
1071
(
2019
).
60.
Y.
Wan
 et al,
Laser Photonics Rev.
14
,
2000037
(
2020
).
61.
D. G.
Deppe
,
H.
Huang
, and
O. B.
Shchekin
,
IEEE J. Quantum Electron.
38
,
1587
(
2002
).
62.
F.
Lelarge
 et al,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
13
,
111
(
2007
).
63.
A.
Capua
,
L.
Rozenfeld
,
V.
Mikhelashvili
,
G.
Eisenstein
,
M.
Kuntz
,
M.
Laemmlin
, and
D.
Bimberg
,
Opt. Express
15
,
5388
(
2007
).
64.
J.
Duan
 et al,
Opt. Lett.
45
,
4887
(
2020
).
65.
J.
Helms
and
K.
Petermann
,
IEEE J. Quantum Electron.
26
,
833
(
1990
).
66.
J.
Duan
,
H.
Huang
,
B.
Dong
,
D.
Jung
,
J. C.
Norman
,
J. E.
Bowers
, and
F.
Grillot
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
31
,
345
(
2019
).
67.
J.
Duan
,
H.
Huang
,
D.
Jung
,
Z.
Zhang
,
J.
Norman
,
J.
Bowers
, and
F.
Grillot
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
251111
(
2018
).
68.
F.
Grillot
,
J. C.
Norman
,
J.
Duan
,
Z.
Zhang
,
B.
Dong
,
H.
Huang
,
W. W.
Chow
, and
J. E.
Bowers
,
Nanophotonics
1
,
1271
1286
(
2020
).
69.
Z.
Zhang
,
D.
Jung
,
J.
Norman
,
W. W.
Chow
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
25
,
1
9
(
2019
).
70.
J.
Duan
,
H.
Huang
,
B.
Dong
,
J. C.
Norman
,
Z.
Zhang
,
J. E.
Bowers
, and
F.
Grillot
,
Photonics Res.
7
,
1222
(
2019
).
71.
W. W.
Chow
,
S.
Liu
,
Z.
Zhang
,
J. E.
Bowers
, and
M.
Sargent
,
Opt. Express
28
,
5317
(
2020
).
72.
D.
Arsenijević
and
D.
Bimberg
, in Green Photonics and Electronics, edited by G. Eisenstein and D. Bimberg (
Springer
,
Berlin, Heidelberg
, 2017), p. 75.
73.
Z.
Lu
,
J.
Liu
,
P.
Poole
,
Z.
Jiao
,
P.
Barrios
,
D.
Poitras
,
J.
Caballero
, and
X.
Zhang
,
Opt. Commun.
284
,
2323
(
2011
).
74.
S.
Liu
,
D.
Jung
,
J.
Norman
,
M.
Kennedy
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
Electron. Lett.
54
,
432
(
2018
).
75.
Z.
Lu
,
J.
Liu
,
S.
Raymond
,
P.
Poole
,
P.
Barrios
, and
D.
Poitras
,
Opt. Express
16
,
10835
(
2008
).
76.
F.
Gao
,
S.
Luo
,
H.-M.
Ji
,
S.-T.
Liu
,
F.
Xu
,
Z.-R.
Lv
,
D.
Lu
,
C.
Ji
, and
T.
Yang
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
28
,
1481
(
2016
).
77.
J.
Renaudier
 et al,
Electron. Lett.
41
,
1007
(
2005
).
78.
D.
Jung
,
J.
Norman
,
Y.
Wan
,
S.
Liu
,
R.
Herrick
,
J.
Selvidge
,
K.
Mukherjee
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Phys. Status Solidi A
216
,
1800602
(
2019
).
79.
G.
Liu
,
Z.
Lu
,
J.
Liu
,
Y.
Mao
,
M.
Vachon
,
C.
Song
, and
P. J.
Poole
, Presented at the Optical Fiber Communication Conference, San Diego, California, 11 March 2020 (
Optical Society of America
,
2020
).
80.
Z.
Lu
,
J.
Liu
,
L.
Mao
,
C.-Y.
Song
,
J.
Weber
,
D.
Poitras
, and
P.
Poole
,
Proc. SPIE
10946
,
109460A
(
2019
).
81.
X.
Huang
,
A.
Stintz
,
H.
Li
,
L.
Lester
,
J.
Cheng
, and
K.
Malloy
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
2825
(
2001
).
82.
G.
Carpintero
,
M. G.
Thompson
,
R. V.
Penty
, and
I. H.
White
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
21
,
389
(
2009
).
83.
L.
Drzewietzki
,
S.
Breuer
, and
W.
Elsäßer
,
Opt. Express
21
,
16142
(
2013
).
84.
F.
Kéfélian
,
S.
O'Donoghue
,
M. T.
Todaro
,
J. G.
McInerney
, and
G.
Huyet
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
20
,
1405
(
2008
).
85.
C.-Y.
Lin
,
F.
Grillot
,
Y.
Li
,
R.
Raghunathan
, and
L. F.
Lester
,
Opt. Express
18
,
21932
(
2010
).
86.
S.
Liu
,
X.
Wu
,
D.
Jung
,
J. C.
Norman
,
M.
Kennedy
,
H. K.
Tsang
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Optica
6
,
128
(
2019
).
87.
S.
Meinecke
,
L.
Drzewietzki
,
C.
Weber
,
B.
Lingnau
,
S.
Breuer
, and
K.
Lüdge
,
Sci. Rep.
9
,
1783
(
2019
).
88.
E.
Rafailov
,
M.
Cataluna
, and
W.
Sibbett
,
Nat. Photonics
1
,
395
(
2007
).
89.
R.
Rosales
,
K.
Merghem
,
A.
Martinez
,
A.
Akrout
,
J.-P.
Tourrenc
,
A.
Accard
,
F.
Lelarge
, and
A.
Ramdane
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
17
,
1292
(
2011
).
90.
H.
Schmeckebier
,
G.
Fiol
,
C.
Meuer
,
D.
Arsenijević
, and
D.
Bimberg
,
Opt. Express
18
,
3415
(
2010
).
91.
M. G.
Thompson
,
A. R.
Rae
,
M.
Xia
,
R. V.
Penty
, and
I. H.
White
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
15
,
661
(
2009
).
92.
C.
Weber
 et al,
Opt. Lett.
40
,
395
(
2015
).
93.
R.
Rosales
,
K.
Merghem
,
C.
Calo
,
G.
Bouwmans
,
I.
Krestnikov
,
A.
Martinez
, and
A.
Ramdane
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
221113
(
2012
).
94.
Z.
Lu
,
J.
Liu
,
P.
Poole
,
C.
Song
, and
S.
Chang
,
Opt. Express
26
,
11909
(
2018
).
95.
S.
Liu
,
J. C.
Norman
,
D.
Jung
,
M.
Kennedy
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
041108
(
2018
).
96.
D.
Auth
,
S.
Liu
,
J.
Norman
,
J. E.
Bowers
, and
S.
Breuer
,
Opt. Express
27
,
27256
(
2019
).
97.
K.
Merghem
,
A.
Akrout
,
A.
Martinez
,
G.
Aubin
,
A.
Ramdane
,
F.
Lelarge
, and
G.-H.
Duan
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
021107
(
2009
).
98.
M.
Zeiler
,
IEEE Potentials
35
,
36
(
2016
).
99.
O.
Ueda
and
S. J.
Pearton
,
Materials and Reliability Handbook for Semiconductor Optical and Electron Devices
(
Springer Science & Business Media
,
New York
,
2012
).
100.
J.
Selvidge
,
J.
Norman
,
M. E.
Salmon
,
E. T.
Hughes
,
J. E.
Bowers
,
R.
Herrick
, and
K.
Mukherjee
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
131102
(
2019
).
101.
A. Y.
Liu
,
S.
Srinivasan
,
J.
Norman
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Photonics Res.
3
,
B1
(
2015
).
102.
Z.
Liu
 et al,
J. Lightwave Technol.
38
,
240
248
(
2020
).
103.
C.
Hantschmann
,
M.
Tang
,
S.
Chen
,
A. J.
Seeds
,
H.
Liu
,
I.
White
, and
R.
Penty
,
J. Lightwave Technol.
38
,
4801
4807
(
2020
).
104.
R. W.
Herrick
,
D.
Jung
,
A.
Liu
,
J.
Norman
,
C.
Jan
, and
J.
Bowers
, 2017 IEEE Photonics Conference (IPC), Orlando, FL, 1–5 October 2017 (IEEE, New York, 2017).
105.
R.
Herrick
and
O.
Ueda
,
Reliability of Semiconductor Lasers and Optoelectronic Devices
, 1st ed. (
Woodhead Publishing
,
Sawston, Cambridge
,
2021
).
106.
D.
Jung
,
R.
Herrick
,
J.
Norman
,
K.
Turnlund
,
C.
Jan
,
K.
Feng
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
153507
(
2018
).
107.
S.
Chen
 et al,
Nat. Photonics
10
,
307
(
2016
).
108.
J. C.
Norman
,
Z.
Zhang
,
D.
Jung
,
C.
Shang
,
M.
Kennedy
,
M.
Dumont
,
R. W.
Herrick
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Quantum Electron.
55
,
1
(
2019
).
109.
K.
Mukherjee
,
J.
Selvidge
,
D.
Jung
,
J.
Norman
,
A. A.
Taylor
,
M.
Salmon
,
A. Y.
Liu
,
J. E.
Bowers
, and
R. W.
Herrick
,
J. Appl. Phys.
128
,
025703
(
2020
).
110.
M.
Buffolo
 et al,
IEEE J. Quantum Electron.
55
,
1
(
2019
).
111.
M.
Buffolo
 et al,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
26
,
1
(
2019
).
112.
D.
Jung
,
J.
Norman
,
Y.
Wan
,
S.
Liu
,
R.
Herrick
,
J.
Selvidge
,
K.
Mukherjee
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
Phys. Status Solidi A
216
,
1800602
(
2018
).
113.
A. Y.
Liu
,
R. W.
Herrick
,
O.
Ueda
,
P. M.
Petroff
,
A. C.
Gossard
, and
J. E.
Bowers
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
21
,
690
(
2015
).
114.
J.
Selvidge
 et al,
Appl. Phys. Lett.
117
,
122101
(
2020
).
115.
J.
Norman
,
Z.
Zhang
,
D.
Jung
,
C.
Shang
,
M.
Kennedy
,
M.
Dumont
,
R.
Herrick
,
A.
Gossard
, and
J.
Bowers
,
IEEE J. Quantum Electron.
55
,
2001111
(
2019
).
116.
J. C.
Norman
 et al,
Proc. SPIE
11285
,
1128504
(
2020
).
117.
N.
Sobolev
,
A.
Cavaco
,
M.
Carmo
,
M.
Grundmann
,
F.
Heinrichsdorff
, and
D.
Bimberg
,
Phys. Status Solidi B
224
,
93
(
2001
).
118.
P.
Piva
,
R.
Goldberg
,
I.
Mitchell
,
D.
Labrie
,
R.
Leon
,
S.
Charbonneau
,
Z.
Wasilewski
, and
S.
Fafard
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
624
(
2000
).
119.
K.
Rivoire
,
S.
Buckley
,
Y.
Song
,
M. L.
Lee
, and
J.
Vučković
,
Phys. Rev. B
85
,
045319
(
2012
).
120.
Q.
Lu
,
Q.
Zhuang
,
J.
Hayton
,
M.
Yin
, and
A.
Krier
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
031115
(
2014
).
121.
P. J.
Simmonds
,
C. D.
Yerino
,
M.
Sun
,
B.
Liang
,
D. L.
Huffaker
,
V. G.
Dorogan
,
Y.
Mazur
,
G.
Salamo
, and
M. L.
Lee
,
ACS Nano
7
,
5017
(
2013
).
You do not currently have access to this content.