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“我們的技術(shù)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了一種全新的集成光電子器件,，攻克了集成光子芯片領(lǐng)域近10年來的里程碑目標(biāo)，將半導(dǎo)體激光器和非線性光頻梳在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)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(diǎn)介紹該項(xiàng)“芯片頻率梳”工作（來源：Science）如今，半導(dǎo)體激光器在光纖通信領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大成功,。半導(dǎo)體激光器由于其低成本,、低功耗等特點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)今的數(shù)據(jù)時(shí)代,，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在極高速地增長,。據(jù)了解，數(shù)據(jù)分析,、數(shù)據(jù)中心的流量復(fù)合年增長率在 25% 左右,，而在超大型數(shù)據(jù)中心則高達(dá) 40-50%。隨著數(shù)據(jù)總量的爆炸式增長,，連接,、處理這些數(shù)據(jù)帶來了巨大的電能消耗。目前,，數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)占到全球總耗電量的 1% 以上,，而這個(gè)比例也正在快速增長。為了實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的高速數(shù)據(jù)中心通信,，以光信號(hào)為載體的光互連不可或缺，在光互連的應(yīng)用中,，集成光電芯片尤為重要,。得益于硅材料在微電子領(lǐng)域的巨大成功，硅基光電子能夠使用成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor,，CMOS）制造工藝及設(shè)施從而獲得高良品率,、高性能、低成本的集成光學(xué)器件,，在眾多光電芯片應(yīng)用之中,，硅基光電子正逐漸成為主流的技術(shù)平臺(tái)。圖丨器件圖片,，整個(gè)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(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用多層異質(zhì)集成技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了一種新的集成光電子器件。他們?cè)谝粋€(gè) 4 寸的硅基襯底上采用 CMOS 兼容的半導(dǎo)體工藝,，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)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(guān)研究以《硅上異質(zhì)集成的激光 - 光孤子微梳》（“Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon”）為題發(fā)表在 Science,，并且被 THIS WEEK IN SCIENCE 專欄重點(diǎn)介紹,。本文的第一作者、UCSB 電子與計(jì)算機(jī)工程系的向超博士對(duì) DeepTech 解釋道,，“這相當(dāng)于需要把兩個(gè)領(lǐng)域各自最優(yōu)性能的器件放在同一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行研發(fā),，在保證工藝兼容性的前提下，從設(shè)計(jì)開始便挑戰(zhàn)一個(gè)未知的領(lǐng)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(fā)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(shù)的超小型化光頻率梳已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，其芯片大小,、低生產(chǎn)成本等特性非常適用于工業(yè)化大量成產(chǎn),，有望在未來成為集信息生成、處理和探測(cè)一體化的光學(xué)系統(tǒng)里的核心器件,。據(jù)了解,，硅基半導(dǎo)體激光器和微腔光頻梳這兩個(gè)領(lǐng)域各自發(fā)展了 10 多年，如今終于發(fā)展到相互依存,、合力協(xié)助,，產(chǎn)生新型集成光子學(xué)器件的階段。光頻率梳是由一系列頻率嚴(yán)格等間隔,、彼此之間有穩(wěn)定的相位關(guān)系的連續(xù)光組成的復(fù)雜光譜,。光頻率梳是一把測(cè)量頻率的尺子，可以用來測(cè)量極其精確的時(shí)間間隔,。因此,，在光原子鐘、原子分子光譜,、量子通信,、高穩(wěn)激光和微波、天體觀測(cè),、物理基本常數(shù)測(cè)量上有廣泛且深刻的應(yīng)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(dǎo)體（DFB）激光器的高功率單模輸出,，通過熱電效應(yīng)的光路相位控制，在氮化硅超低損耗非線性諧振腔內(nèi)產(chǎn)生非線性振蕩,，從而產(chǎn)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(chǎn)生的反饋信號(hào)會(huì)讓這個(gè)激光器 - 諧振腔耦合系統(tǒng)工作于自注入鎖定狀態(tài),，這極大地提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,。其意義在于，這種反饋回到激光器的反射,，不僅不會(huì)對(duì)激光器的穩(wěn)定性造成干擾,，反而會(huì)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(jié)果不僅是首次實(shí)現(xiàn)了激光器 - 光孤子頻率梳的在單個(gè)芯片上的異質(zhì)集成,，而且代表了目前片上集成低噪聲激光器的最優(yōu)越性能。” 向超說,。據(jù)介紹,，該研究由 UCSB 和 EPFL 團(tuán)隊(duì)緊密合作，充分發(fā)揮兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在各自研究領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì),。其中,，UCSB 研究組首創(chuàng)并多年來一直深耕于硅基半導(dǎo)體磷化銦 / 硅異質(zhì)集成激光器的研發(fā)，而 EPFL 研究組在國際上首次實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)微腔的孤子頻率梳,，并研發(fā)出領(lǐng)先世界的超低損耗非線性氮化硅集成光路,。“在我們的項(xiàng)目籌劃階段，兩個(gè)研究組分別開展了很多獨(dú)立的研究,。而這項(xiàng)研究需要結(jié)合兩個(gè)學(xué)校各自的特長,，尋找完全兼容的方法，同時(shí)又不影響各自的器件性能,。這對(duì)于推進(jìn)復(fù)雜的半導(dǎo)體工藝來說,，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)?！?向超說,。該研究工藝流程采用多層異質(zhì)集成，通過兩次晶圓鍵合實(shí)現(xiàn)磷化銦 / 硅 / 氮化硅的多層結(jié)構(gòu),。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(dǎo)與微腔，經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光之后與硅晶圓鍵合,，硅器件結(jié)構(gòu)制作完成,，再與磷化銦外延片晶圓鍵合，最后進(jìn)行激光器制備工藝環(huán)節(jié),。光孤子頻率梳的產(chǎn)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(yōu)越性能,。圖丨實(shí)驗(yàn)獲得光孤子光頻梳的光譜。通過調(diào)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(wěn)定產(chǎn)生不同狀態(tài)的光孤子狀態(tài)（來源：Science）向超表示,，該器件證明，現(xiàn)代先進(jìn)半導(dǎo)體工藝可以大規(guī)模,、高產(chǎn)量,、低價(jià)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(xué)對(duì)準(zhǔn)封裝。此外,，這項(xiàng)異質(zhì)集成技術(shù)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(xué)現(xiàn)象，由一個(gè)激光器的載波輸出便可以產(chǎn)生數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)穩(wěn)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(shù)據(jù)通信的通道數(shù)量,。有希望成倍地降低未來高容量數(shù)據(jù)互聯(lián)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(shù)據(jù)容量,。第一，這將極大的推動(dòng)和擴(kuò)展激光光頻梳進(jìn)入各種應(yīng)用領(lǐng)域,，如在光學(xué)測(cè)量,、精密光譜學(xué)、高速大容量光通信,、激光雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)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(tái)的獨(dú)立基本組成單元,，從而與現(xiàn)有的各種光電子器件完全集成,，助力實(shí)現(xiàn)下一代先進(jìn)集成光電子芯片。“我們的結(jié)果首次實(shí)現(xiàn)了在集成光電子學(xué)和非線性光學(xué)領(lǐng)域被共同期待的器件,，這對(duì)下一代集成激光光頻梳的制備,、研究和應(yīng)用都具有重要的意義，可以推動(dòng)光孤子頻率梳的大規(guī)模應(yīng)用,。” 向超表示,。多方團(tuán)隊(duì)協(xié)作，突破集成光孤子頻率梳“不敢想的目標(biāo)”從本科至今,，向超一直從事光電子芯片相關(guān)領(lǐng)域的研究,。2012 年，向超在華中科技大學(xué)光電學(xué)院本科畢業(yè)后,，到香港中文大學(xué)攻讀碩士學(xué)位,。在他到 UCSB 攻讀博士的最初幾年，經(jīng)過了長時(shí)間的專注研究和經(jīng)驗(yàn)積累,，為后來取得優(yōu)秀的科研成果奠定了良好基礎(chǔ),。談及科研路上的困難，向超告訴 DeepTech,，“剛開始進(jìn)入氮化硅上全集成激光器研究課題時(shí),，我就意識(shí)到課題的挑戰(zhàn)性十分巨大,，很有可能要長時(shí)間坐'冷板凳’?！?/span>不過,，正是經(jīng)過這種歷練，向超和他所在團(tuán)隊(duì)成功研制出世界上首個(gè)和氮化硅波導(dǎo)異質(zhì)單片集成的半導(dǎo)體激光器,，而這一研究結(jié)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(píng)價(jià)這項(xiàng)研究：“這是一篇令人印象深刻的論文，它實(shí)現(xiàn)了單片集成三五族半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生克爾光孤子頻率梳這一前沿的技術(shù),，這是一項(xiàng)極為重要的工作,。”向超表示,，這項(xiàng)研究與他身邊諸多相關(guān)領(lǐng)域的教授以及科研人員的支持協(xié)作密不可分,。國際硅基光電子學(xué)的奠基人之一、向超的導(dǎo)師約翰?鮑爾斯（John Bowers）教授以及國際非線性光學(xué),、應(yīng)用物理學(xué)公認(rèn)的權(quán)威專家,、來自 EPFL 的托比亞斯?基彭伯格 （Tobias Kippenberg）教授在這項(xiàng)研究上給予了重要的指導(dǎo)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(huán)諧振腔目前具備世界領(lǐng)先的優(yōu)越性能，是這項(xiàng)工作能夠成功的核心因素之一,?！?nbsp;向超說，“同時(shí),，我要感謝 UCSB 的常林,、謝衛(wèi)強(qiáng)、張澤宇博士以及 EPFL 的翁文樂博士提供支持,。這是一項(xiàng)需要多方面協(xié)作才能成功的工作，很榮幸能和眾多光電子領(lǐng)域的青年科研人員一起完成這項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn),?！?/span>EPFL 團(tuán)隊(duì)的主要作者，同時(shí)也是這項(xiàng)工作中超低損耗氮化硅微腔制備的主要負(fù)責(zé)人劉駿秋博士告訴 DeepTech ：“2015 年,，在我剛剛開始博士訓(xùn)練,、接觸集成光孤子頻率梳技術(shù)的時(shí)候，將激光器和氮化硅微腔集成到一個(gè)芯片上是包括我的導(dǎo)師想都不敢想的目標(biāo),。很幸運(yùn),，在我全職回國前夕，能有幸與向超博士一起實(shí)現(xiàn)這個(gè)里程碑級(jí)別的工作,?！?/span>工業(yè)化的開端,，光芯片未來將多領(lǐng)域應(yīng)用硅基光子學(xué)的一大制約因素是硅材料本身不支持發(fā)光，為了實(shí)現(xiàn)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(zhì)集成,。“這一技術(shù)由我的導(dǎo)師鮑爾斯教授最先提出以及研發(fā)，目前已經(jīng)直接催生出三家相關(guān)的初創(chuàng)企業(yè),?！?向超表示。據(jù)了解,，該領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)軍則是英特爾（Intel）公司,，經(jīng)過了十多年的發(fā)展，目前基于英特爾硅光子技術(shù)的光電收發(fā)器已經(jīng)達(dá)到每年約 200 萬只的出貨量,，產(chǎn)品也從 100G 快速迭代到 200/400G 甚至更高速率,。 圖丨針對(duì)不同技術(shù)方案支撐下的數(shù)據(jù)中心交換容量的總結(jié)及展望（來源：AIP）
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