90后攻克集成光子芯片里程碑目標，將激光與光頻梳最先進工藝集成于單個硅光器件，或開啟大規模應用｜專訪...
“我們的技術在國際上首次實現了一種全新的集成光電子器件，攻克了集成光子芯片領域近10年來的里程碑目標，將半導體激光器和非線性光頻梳在一個芯片上實現完全的集成和功能化。” 向超博士告訴 DeepTech。圖丨本期 Science 雜志 THIS WEEK IN SCIENCE 專欄重點介紹該項“芯片頻率梳”工作（來源：Science）如今，半導體激光器在光纖通信領域已經取得了巨大成功。半導體激光器由于其低成本、低功耗等特點，被廣泛應用于光纖通信網絡。在當今的數據時代，數據中心的規模在極高速地增長。據了解，數據分析、數據中心的流量復合年增長率在 25% 左右，而在超大型數據中心則高達 40-50%。隨著數據總量的爆炸式增長，連接、處理這些數據帶來了巨大的電能消耗。目前，數據中心的耗電量已經占到全球總耗電量的 1% 以上，而這個比例也正在快速增長。為了實現更加節能的高速數據中心通信，以光信號為載體的光互連不可或缺，在光互連的應用中，集成光電芯片尤為重要。得益于硅材料在微電子領域的巨大成功，硅基光電子能夠使用成熟的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）制造工藝及設施從而獲得高良品率、高性能、低成本的集成光學器件，在眾多光電芯片應用之中，硅基光電子正逐漸成為主流的技術平臺。圖丨器件圖片，整個工藝流程在一片 4 寸硅基晶圓上完成（來源：Science）近日，美國加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的聯合團隊采用多層異質集成技術成功實現了一種新的集成光電子器件。他們在一個 4 寸的硅基襯底上采用 CMOS 兼容的半導體工藝，實現了半導體激光器和非線性光頻梳的單片全集成和功能化。7 月 2 日，相關研究以《硅上異質集成的激光 - 光孤子微梳》（“Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon”）為題發表在 Science，并且被 THIS WEEK IN SCIENCE 專欄重點介紹。本文的第一作者、UCSB 電子與計算機工程系的向超博士對 DeepTech 解釋道，“這相當于需要把兩個領域各自最優性能的器件放在同一個平臺上進行研發，在保證工藝兼容性的前提下，從設計開始便挑戰一個未知的領域。”他舉例說道，比如，如何用足夠的光功率和合適的光頻率激發光孤子頻率梳，如何控制激光器的輸出與非線性諧振腔的相互作用等。近年來，基于集成光芯片技術的超小型化光頻率梳已成為一個重要的研究領域，其芯片大小、低生產成本等特性非常適用于工業化大量成產，有望在未來成為集信息生成、處理和探測一體化的光學系統里的核心器件。據了解，硅基半導體激光器和微腔光頻梳這兩個領域各自發展了 10 多年，如今終于發展到相互依存、合力協助，產生新型集成光子學器件的階段。光頻率梳是由一系列頻率嚴格等間隔、彼此之間有穩定的相位關系的連續光組成的復雜光譜。光頻率梳是一把測量頻率的尺子，可以用來測量極其精確的時間間隔。因此，在光原子鐘、原子分子光譜、量子通信、高穩激光和微波、天體觀測、物理基本常數測量上有廣泛且深刻的應用。談及器件的工作原理，向超表示，該研究是利用基于磷化銦 / 硅的分布式反饋半導體（DFB）激光器的高功率單模輸出，通過熱電效應的光路相位控制，在氮化硅超低損耗非線性諧振腔內產生非線性振蕩，從而產生光孤子頻率梳。在這一過程中，激光器的輸出在非線性諧振腔中產生的反饋信號會讓這個激光器 - 諧振腔耦合系統工作于自注入鎖定狀態，這極大地提高了系統的整體穩定性。其意義在于，這種反饋回到激光器的反射，不僅不會對激光器的穩定性造成干擾，反而會極大地降低激光器的相位噪聲，從而降低激光器輸出的線寬。“所以，我們的結果不僅是首次實現了激光器 - 光孤子頻率梳的在單個芯片上的異質集成，而且代表了目前片上集成低噪聲激光器的最優越性能。” 向超說。據介紹，該研究由 UCSB 和 EPFL 團隊緊密合作，充分發揮兩個團隊在各自研究領域的技術優勢。其中，UCSB 研究組首創并多年來一直深耕于硅基半導體磷化銦 / 硅異質集成激光器的研發，而 EPFL 研究組在國際上首次實現基于光學微腔的孤子頻率梳，并研發出領先世界的超低損耗非線性氮化硅集成光路。“在我們的項目籌劃階段，兩個研究組分別開展了很多獨立的研究。而這項研究需要結合兩個學校各自的特長，尋找完全兼容的方法，同時又不影響各自的器件性能。這對于推進復雜的半導體工藝來說，是一項巨大的挑戰。” 向超說。該研究工藝流程采用多層異質集成，通過兩次晶圓鍵合實現磷化銦 / 硅 / 氮化硅的多層結構。利用氮化硅光子大馬士革工藝制備的超低損耗氮化硅波導與微腔，經過化學機械拋光之后與硅晶圓鍵合，硅器件結構制作完成，再與磷化銦外延片晶圓鍵合，最后進行激光器制備工藝環節。光孤子頻率梳的產生以及激光器噪聲的降低得益于 UCSB 高性能磷化銦 / 硅激光器以及 EPFL 采用光子大馬士革工藝制造的氮化硅超低損耗非線性諧振腔的優越性能。圖丨實驗獲得光孤子光頻梳的光譜。通過調整激光器的電流注入以及熱電相位控制器的電流輸入，可以穩定產生不同狀態的光孤子狀態（來源：Science）向超表示，該器件證明，現代先進半導體工藝可以大規模、高產量、低價格地制備光孤子頻率梳。并且，工藝流程可以不依賴昂貴的、高能耗、大尺寸、高功率的激光器和放大器，也不依賴光纖連接以及昂貴的、人工的光學對準封裝。此外，這項異質集成技術還可以無縫隙地集成在硅基光電子芯片。該研究利用非線性光學現象，由一個激光器的載波輸出便可以產生數十個甚至上百個穩定的光載波。而且，這些光載波之間頻率間距固定、相干度高，從而成倍地增加了可以用作數據通信的通道數量。有希望成倍地降低未來高容量數據互聯和通信的能耗，或者在相同能耗的情況下，成倍地提升通信數據容量。第一，這將極大的推動和擴展激光光頻梳進入各種應用領域，如在光學測量、精密光譜學、高速大容量光通信、激光雷達等領域發揮重要作用；第二，光孤子頻率梳可以作為成熟硅基光電子平臺的獨立基本組成單元，從而與現有的各種光電子器件完全集成，助力實現下一代先進集成光電子芯片。“我們的結果首次實現了在集成光電子學和非線性光學領域被共同期待的器件，這對下一代集成激光光頻梳的制備、研究和應用都具有重要的意義，可以推動光孤子頻率梳的大規模應用。” 向超表示。多方團隊協作，突破集成光孤子頻率梳“不敢想的目標”從本科至今，向超一直從事光電子芯片相關領域的研究。2012 年，向超在華中科技大學光電學院本科畢業后，到香港中文大學攻讀碩士學位。在他到 UCSB 攻讀博士的最初幾年，經過了長時間的專注研究和經驗積累，為后來取得優秀的科研成果奠定了良好基礎。談及科研路上的困難，向超告訴 DeepTech，“剛開始進入氮化硅上全集成激光器研究課題時，我就意識到課題的挑戰性十分巨大，很有可能要長時間坐'冷板凳’。”不過，正是經過這種歷練，向超和他所在團隊成功研制出世界上首個和氮化硅波導異質單片集成的半導體激光器，而這一研究結果在很大程度上給本次研究指明了重要方向。Science 審稿人這樣評價這項研究：“這是一篇令人印象深刻的論文，它實現了單片集成三五族半導體激光器產生克爾光孤子頻率梳這一前沿的技術，這是一項極為重要的工作。”向超表示，這項研究與他身邊諸多相關領域的教授以及科研人員的支持協作密不可分。國際硅基光電子學的奠基人之一、向超的導師約翰?鮑爾斯（John Bowers）教授以及國際非線性光學、應用物理學公認的權威專家、來自 EPFL 的托比亞斯?基彭伯格 （Tobias Kippenberg）教授在這項研究上給予了重要的指導和支持。“此外，我要特別感謝 EPFL 劉駿秋博士的全力合作，他所制備的氮化硅超低損耗非線性微環諧振腔目前具備世界領先的優越性能，是這項工作能夠成功的核心因素之一。” 向超說，“同時，我要感謝 UCSB 的常林、謝衛強、張澤宇博士以及 EPFL 的翁文樂博士提供支持。這是一項需要多方面協作才能成功的工作，很榮幸能和眾多光電子領域的青年科研人員一起完成這項艱巨的挑戰。”EPFL 團隊的主要作者，同時也是這項工作中超低損耗氮化硅微腔制備的主要負責人劉駿秋博士告訴 DeepTech ：“2015 年，在我剛剛開始博士訓練、接觸集成光孤子頻率梳技術的時候，將激光器和氮化硅微腔集成到一個芯片上是包括我的導師想都不敢想的目標。很幸運，在我全職回國前夕，能有幸與向超博士一起實現這個里程碑級別的工作。”硅基光子學的一大制約因素是硅材料本身不支持發光，為了實現集成的硅基激光器，目前最為有效的解決方案是使用三五族材料異質集成。“這一技術由我的導師鮑爾斯教授最先提出以及研發，目前已經直接催生出三家相關的初創企業。” 向超表示。據了解，該領域的行業領軍則是英特爾（Intel）公司，經過了十多年的發展，目前基于英特爾硅光子技術的光電收發器已經達到每年約 200 萬只的出貨量，產品也從 100G 快速迭代到 200/400G 甚至更高速率。圖丨針對不同技術方案支撐下的數據中心交換容量的總結及展望（來源：AIP）
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