90后攻克集成光子芯片里程碑目标，或开启大规模应用

强驴

2021-07-04 21:27·DeepTech深科技

“我们的技术在国际上首次实现了一种全新的集成光电子器件，攻克了集成光子芯片领域近10年来的里程碑目标，将半导体激光器和非线性光频梳在一个芯片上实现完全的集成和功能化。” 向超博士告诉 DeepTech。

图丨本期 Science 杂志 THIS WEEK IN SCIENCE 专栏重点介绍该项“芯片频率梳”工作（来源：Science）

如今，半导体激光器在光纤通信领域已经取得了巨大成功。半导体激光器由于其低成本、低功耗等特点，被广泛应用于光纤通信网络。

在当今的数据时代，数据中心的规模在极高速地增长。据了解，数据分析、数据中心的流量复合年增长率在 25% 左右，而在超大型数据中心则高达 40-50%。

随着数据总量的爆炸式增长，连接、处理这些数据带来了巨大的电能消耗。目前，数据中心的耗电量已经占到全球总耗电量的 1% 以上，而这个比例也正在快速增长。

为了实现更加节能的高速数据中心通信，以光信号为载体的光互连不可或缺，在光互连的应用中，集成光电芯片尤为重要。

得益于硅材料在微电子领域的巨大成功，硅基光电子能够使用成熟的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）制造工艺及设施从而获得高良品率、高性能、低成本的集成光学器件，在众多光电芯片应用之中，硅基光电子正逐渐成为主流的技术平台。

图丨器件图片，整个工艺流程在一片 4 寸硅基晶圆上完成（来源：Science）

近日，美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的联合团队采用多层异质集成技术成功实现了一种新的集成光电子器件。他们在一个 4 寸的硅基衬底上采用 CMOS 兼容的半导体工艺，实现了半导体激光器和非线性光频梳的单片全集成和功能化。

图丨相关论文（来源：Science）

7 月 2 日，相关研究以《硅上异质集成的激光 - 光孤子微梳》（“Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon”）为题发表在 Science，并且被 THIS WEEK IN SCIENCE 专栏重点介绍。

本文的第一作者、USCB 电子与计算机工程系的向超博士对 DeepTech 解释道，“这相当于需要把两个领域各自最优性能的器件放在同一个平台上进行研发，在保证工艺兼容性的前提下，从设计开始便挑战一个未知的领域。”

他举例说道，比如，如何用足够的光功率和合适的光频率激发光孤子频率梳，如何控制激光器的输出与非线性谐振腔的相互作用等。

首次成功研发新型集成光电子器件

近年来，基于集成光芯片技术的超小型化光频率梳已成为一个重要的研究领域，其芯片大小、低生产成本等特性非常适用于工业化大量成产，有望在未来成为集信息生成、处理和探测一体化的光学系统里的核心器件。

据了解，硅基半导体激光器和微腔光频梳这两个领域各自发展了 10 多年，如今终于发展到相互依存、合力协助，产生新型集成光子学器件的阶段。

光频率梳是由一系列频率严格等间隔、彼此之间有稳定的相位关系的连续光组成的复杂光谱。

光频率梳是一把测量频率的尺子，可以用来测量极其精确的时间间隔。因此，在光原子钟、原子分子光谱、量子通信、高稳激光和微波、天体观测、物理基本常数测量上有广泛且深刻的应用。

谈及器件的工作原理，向超表示，该研究是利用基于磷化铟 / 硅的分布式反馈半导体（DFB）激光器的高功率单模输出，通过热电效应的光路相位控制，在氮化硅超低损耗非线性谐振腔内产生非线性振荡，从而产生光孤子频率梳。

图丨器件工作原理图（来源：Science）

在这一过程中，激光器的输出在非线性谐振腔中产生的反馈信号会让这个激光器 - 谐振腔耦合系统工作于自注入锁定状态，这极大地提高了系统的整体稳定性。

其意义在于，这种反馈回到激光器的反射，不仅不会对激光器的稳定性造成干扰，反而会极大地降低激光器的相位噪声，从而降低激光器输出的线宽。

“所以，我们的结果不仅是首次实现了激光器 - 光孤子频率梳的在单个芯片上的异质集成，而且代表了目前片上集成低噪声激光器的最优越性能。” 向超说。

据介绍，该研究由 UCSB 和 EPFL 团队紧密合作，充分发挥两个团队在各自研究领域的技术优势。

其中，UCSB 研究组首创并多年来一直深耕于硅基半导体磷化铟 / 硅异质集成激光器的研发，而 EPFL 研究组在国际上首次实现基于光学微腔的孤子频率梳，并研发出领先世界的超低损耗非线性氮化硅集成光路。

“在我们的项目筹划阶段，两个研究组分别开展了很多独立的研究。而这项研究需要结合两个学校各自的特长，寻找完全兼容的方法，同时又不影响各自的器件性能。这对于推进复杂的半导体工艺来说，是一项巨大的挑战。” 向超说。

图丨工艺流程（来源：Science）

该研究工艺流程采用多层异质集成，通过两次晶圆键合实现磷化铟 / 硅 / 氮化硅的多层结构。利用氮化硅光子大马士革工艺制备的超低损耗氮化硅波导与微腔，经过化学机械抛光之后与硅晶圆键合，硅器件结构制作完成，再与磷化铟外延片晶圆键合，最后进行激光器制备工艺环节。

光孤子频率梳的产生以及激光器噪声的降低得益于 UCSB 高性能磷化铟 / 硅激光器以及 EPFL 采用光子大马士革工艺制造的氮化硅超低损耗非线性谐振腔的优越性能。

图丨调整激光器的电流注入以及热电相位控制器的电流输入，可以稳定不同状态的光孤子状态（来源：Science）

向超表示，该器件证明，现代先进半导体工艺可以大规模、高产量、低价格地制备光孤子频率梳。

并且，工艺流程可以不依赖昂贵的、高能耗、大尺寸、高功率的激光器和放大器，也不依赖光纤连接以及昂贵的、人工的光学对准封装。此外，这项异质集成技术还可以无缝隙地集成在硅基光电子芯片。

该研究利用非线性光学现象，由一个激光器的载波输出便可以产生数十个甚至上百个稳定的光载波。

而且，这些光载波之间频率间距固定、相干度高，从而成倍地增加了可以用作数据通信的通道数量。有希望成倍地降低未来高容量数据互联和通信的能耗，或者在相同能耗的情况下，成倍地提升通信数据容量。

其主要意义有两点：

第一，这将极大的推动和扩展激光光频梳进入各种应用领域，如在光学测量、精密光谱学、高速大容量光通信、激光雷达等领域发挥重要作用；

第二，光孤子频率梳可以作为成熟硅基光电子平台的独立基本组成单元，从而与现有的各种光电子器件完全集成，助力实现下一代先进集成光电子芯片。

“我们的结果首次实现了在集成光电子学和非线性光学领域被共同期待的器件，这对下一代集成激光光频梳的制备、研究和应用都具有重要的意义，可以推动光孤子频率梳的大规模应用。” 向超表示。

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多方团队协作，突破集成光孤子频率梳“不敢想的目标”

从本科至今，向超一直从事光电子芯片相关领域的研究。

2012 年，向超在华中科技大学光电学院本科毕业后，到香港中文大学攻读硕士学位。在他到 UCSB 攻读博士的最初几年，经过了长时间的专注研究和经验积累，为后来取得优秀的科研成果奠定了良好基础。

谈及科研路上的困难，向超告诉 DeepTech，“刚开始进入氮化硅上全集成激光器研究课题时，我就意识到课题的挑战性十分巨大，很有可能要长时间坐‘冷板凳’。”

不过，正是经过这种历练，向超和他所在团队成功研制出世界上首个和氮化硅波导异质单片集成的半导体激光器，而这一研究结果在很大程度上给本次研究指明了重要方向。

Science 审稿人这样评价这项研究：“这是一篇令人印象深刻的论文，它实现了单片集成三五族半导体激光器产生克尔光孤子频率梳这一前沿的技术，这是一项极为重要的工作。”

图丨向超（来源：受访者）

向超表示，这项研究与他身边诸多相关领域的教授以及科研人员的支持协作密不可分。

国际硅基光电子学的奠基人之一、向超的导师约翰・鲍尔斯（John Bowers）教授以及国际非线性光学、应用物理学公认的权威专家、来自 EPFL 的托比亚斯・基彭伯格 （Tobias Kippenberg）教授在这项研究上给予了重要的指导和支持。

“此外，我要特别感谢 EPFL 刘骏秋博士的全力合作，他所制备的氮化硅超低损耗非线性微环谐振腔目前具备世界领先的优越性能，是这项工作能够成功的核心因素之一。”

向超说，“同时，我要感谢 UCSB 的常林、谢卫强、张泽宇博士以及 EPFL 的翁文乐博士提供支持。这是一项需要多方面协作才能成功的工作，很荣幸能和众多光电子领域的青年科研人员一起完成这项艰巨的挑战。”

EPFL 团队的主要作者，同时也是这项工作中超低损耗氮化硅微腔制备的主要负责人刘骏秋博士告诉 DeepTech ：“2015 年，在我刚刚开始博士训练、接触集成光孤子频率梳技术的时候，将激光器和氮化硅微腔集成到一个芯片上是包括我的导师想都不敢想的目标。很幸运，在我全职回国前夕，能有幸与向超博士一起实现这个里程碑级别的工作。”

工业化的开端，光芯片未来将多领域应用

硅基光子学的一大制约因素是硅材料本身不支持发光，为了实现集成的硅基激光器，目前最为有效的解决方案是使用三五族材料异质集成。

“这一技术由我的导师鲍尔斯教授最先提出以及研发，目前已经直接催生出三家相关的初创企业。” 向超表示。

据了解，该领域的行业领军则是英特尔（Intel）公司，经过了十多年的发展，目前基于英特尔硅光子技术的光电收发器已经达到每年约 200 万只的出货量，产品也从 100G 快速迭代到 200/400G 甚至更高速率。

图丨针对不同技术方案支撑下的数据中心交换容量的总结及展望（来源：AIP）

“新的技术，比如光电协同封装也在这一技术的驱动下迅猛发展，以满足日益增长的数据中心带宽需要。而在该领域，国内也有很多光模块、光系统厂商，但是主流的光芯片厂商目前还集中在国外。”向超告诉 DeepTech。

他认为，大规模、低成本的方式生产激光光孤子频率梳可以极大地降低这项技术的使用门槛。“在多个领域都可以激发它的适用场景，作为非线性光学和集成光子学领域近年来最为重要的研究领域之一，这一结果的诞生是将科研成果推向广阔工业应用的重要一步。”

谈及下一步的研究方向，向超表示，将聚焦在进一步降低激发光孤子频率梳的电能能耗，实现更高的光频梳数量并且提升其整体性能。同时，探索激光光孤子和其他硅光器件的进一步集成，并开展系统性的应用等。

“我们希望能将这项技术更加积极地推向先进半导体研究机构及半导体工艺流水线，使这项技术能尽早地在实际应用中发挥作用。”