第一个可扩展的单芯片集成激光器和微梳

加州大学圣巴巴拉分校团队宣布激光突破

十五年前，加州大学圣巴巴拉分校电气和材料教授John Bowers开创了一种将激光集成到硅片上的方法。此后，该技术与其他硅光子器件一起广泛部署，以取代以前连接数据中心服务器的铜线互连，显著提高了能源效率——在数据流量以每年约 25% 的速度增长之际，这是一项重要的努力。

几年来，Bowers 小组一直与瑞士联邦理工学院 (EPFL) 的 Tobias J. Kippenberg 小组在国防高级研究计划局 (DARPA) 直接片上数字光合成器 (DODOS) 项目上进行了合作。 Kippenberg 小组发现了“微梳”，即一系列平行、低噪声、高度稳定的激光线。激光梳的许多行中的每一行都可以携带信息，从而大大增加了单个激光器可以发送的数据量。

最近，几个团队通过将半导体激光器芯片和单独的氮化硅环形谐振器芯片非常靠近地放置在一起，展示了非常紧凑的梳子。然而，激光器和谐振器仍然是独立的器件，独立制造，然后彼此靠近放置，完美对齐，这是一个昂贵且耗时的过程，无法扩展。

Bowers实验室与Kippenberg实验室合作开发了一种集成的片上半导体激光器和谐振器，能够产生激光微腔。在新一期的《科学》杂志上发表了一篇题为《硅上异构集成的激光孤子微梳》（Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon）文，描述了这些实验室成功地成为第一个实现这一目标的实验室。

孤子微梳是发射相互相干激光线的光频梳——也就是说，这些线相对于彼此处于恒定不变的相位。该技术应用于光学计时、计量和传感领域。最近的现场演示包括每秒数兆兆位的光通信、超快激光雷达、神经形态计算和用于行星搜索的天体物理光谱仪校准等。它是一种强大的工具，通常需要超高功率、昂贵的激光器和复杂的光耦合才能发挥作用。

Bowers 实验室的博士后研究员 Chao Xiang解释说，激光微梳的工作原理是分布式反馈 (DFB) 激光器产生一条激光线。然后，该线通过光学相位控制器并进入微环谐振器，随着光在环周围传播，导致功率强度增加。如果强度达到某个阈值，就会出现非线性光学效应，导致一条激光线在任一侧产生两条额外的相同线。这两条“边线”中的每一条都会产生其他条线，从而导致一系列的激光线生成。 “你最终会得到一系列相互相干的频率梳，”Xiang说- 以及大大扩展的数据传输能力。

这项研究使半导体激光器能够与低损耗非线性光学微谐振器无缝集成——“低损耗”是因为光可以在波导中传播，而不会随着距离的推移而损失大量强度。不需要光耦合，并且该器件完全由电控制。重要的是，这项新技术适用于商业规模的生产，因为可以使用行业标准的 CMOS 兼容技术从单个晶圆制造数千个器件。研究人员表示：“我们的方法为下一代高容量收发器、数据中心、太空和移动平台的基于芯片的频率梳的大批量、低成本制造铺平了道路。”

制造该器件的关键挑战是半导体激光器和产生梳状结构的谐振器必须构建在不同的材料平台上。激光器只能由周期表中 III 族和 V 族的材料制成，例如磷化铟，而最好的梳子只能由氮化硅制成。 “因此，我们必须找到一种方法将它们放在一个晶圆上，”Xiang解释说。

研究人员在同一片晶圆上连续工作，利用UCSB的异质集成工艺在硅衬底上制造高性能激光器，并利用他们的EPFL合作者的能力，使用他们开发的“光子波纹工艺”制造出超低损耗高Q值氮化硅微谐振器。与制造单个器件然后将它们逐个组合形成对比的是，晶圆级工艺能够用单个直径为100 mm的晶圆制造数千个器件，这种生产水平可以进一步扩大工业标准 200 mm或 300 mm直径的基材。

为了使器件正常工作，必须控制激光器、谐振腔和它们之间的光学相位，以创建基于“自注入锁定”现象的耦合系统。Xiang解释说，激光输出部分被微谐振器反射。当激光器发出的光和谐振器发出的背向反射光之间达到一定的相位条件时，激光器被称为锁定在谐振器上。

正常情况下，背向反射光会损害激光性能，但在这里它对于产生微梳至关重要。锁定的激光会触发谐振腔中的孤子形成，同时降低激光噪声或频率不稳定性。因此，有害的东西变成了有益的东西。因此，该团队不仅能够创造出第一个集成在单个芯片上的激光孤子微梳，而且能够创造出第一个在一个芯片上具有多个可用通道的窄线宽激光源。

“光梳生成领域非常令人兴奋，而且发展速度非常快。它在光学时钟、大容量光网络和许多光谱应用中都有应用，”Fred Kavli纳米技术的主席兼工程能源效率研究所学院院长 Bowers 说。 “缺少的元件是一个包含泵浦激光器和光学谐振器的独立芯片。我们展示了这个关键元件，它将开启这项技术的快速采用。”

“我认为这项工作会变得非常大，”Xiang说。他补充道，这项新技术的潜力让他想起了 15 年前在硅上安装激光器的方式，促进了硅光子学的研究和工业商业化。 “这项变革性技术已经商业化，英特尔每年出货数百万个收发器产品，”他说。 “未来使用共封装光学器件的硅光子学将可能成为使用大量光学通道的高容量收发器的强大驱动力。”

Xiang解释说，目前的梳子产生大约 20 到 30 条可用的梳线，未来的目标是增加这一数量，“希望从每个激光谐振器中获得 100 条组合线，并且功耗低。”

基于孤子微梳的低能耗及其为数据通信提供大量高纯度光梳线的能力，Xiang说：“我们相信，我们的成果可以成为在许多领域应用光频率梳技术的支柱，包括努力跟上快速增长的数据流量，并有望减缓超大规模数据中心的能源消耗增长。”