“在研究中，我们使用的工艺都与现有的 CMOS 工艺兼容，因此该技术的产业化前景十分明朗。传统硅光芯片没有集成激光光源，异质集成半导体激光器解决了这一问题。现在，3D 集成让硅光芯片不仅有激光器，还拥有性能最佳的激光器。”该论文第一作者及共同通讯作者向超博士表示。
2022 年 8 月，向超加入香港大学成立课题组担任助理教授。前不久，他成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
【资料图】
图丨向超（来源：向超）
最近，美国加州大学圣芭芭拉分校约翰·E·鲍尔斯（John E. Bowers）教授课题组联合加州理工学院与 Anello Photonics 公司，为解决半导体激光器的高相位噪声问题提供了新的方案，首次完成了激光器与超低损耗波导（0.5dB/m）的单片集成。该团队采用磷化铟/硅分布式反馈激光器的自注入锁定，与热光可调氮化硅超高 Q 环形谐振腔，在 3D 硅光芯片上实现了拥有赫兹量级本征线宽的超低噪声半导体激光器。
利用超高 Q 腔可以有效阻挡任何下游片上，或者片外的反射引起的不稳定，消除了激光器对光隔离器的需求。此外，通过在同一片上使用两个超低噪声激光器，从而产生无光隔离器、宽带可调的低噪声拍频外差微波信号。
该技术着眼于单片集成，这在芯片最终可扩展性与大规模生产的角度无疑是最终目标。而通过单片集成避免复杂、昂贵的光学封装，有望大幅度降低类似光芯片、光模块器件的价格与成本，而且同时提高稳定性与可靠性、降低光学损耗。
“作为集成度最高的方案，片上光学功能的完整性同样值得期待。虽然实现的过程很复杂，但是优势也很明显。”向超说。
图丨相关论文（来源：Nature）
近日，相关论文以《3D 集成可实现硅光子学中的超低噪声无隔离器激光器》（3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics）为题发表在 Nature 上[1]。
加州大学圣芭芭拉分校的向超博士（现香港大学助理教授）、金闰（Warren Jin）博士、奥萨马·特拉（Osama Terra）博士、董伯彰博士为论文的共同第一作者，向超博士与约翰·E·鲍尔斯（John E. Bowers）教授担任论文的共同通讯作者。
实现超低损波导和激光器的高度集成
在本次研究中，研究团队实现了三五族激光器和超低损耗氮化硅波导在同一硅光芯片集成。为了实现这一目标，该团队在异质集成，甚至多层异质集成技术方面进行了多年努力。
由于激光器集成工艺流程的复杂性，单片实现窄线宽激光器所需要的三五族材料加工工艺往往会影响低损耗波导的低损耗性能，从而影响最终激光器的性能。
图丨3D 集成激光器芯片实物图以及横截面示意图（来源：Nature）
这种 3D 集成工艺利用了多层同质原位生长以及异质晶圆键合工艺，通过有源与无源的有效集成。向超表示，为了将这两类材料隔离开来，研究团队利用双层氮化硅结构有效分离有源区与无源区，在垂直方向将二者间距增加至接近 5 微米，光场模式实现有效隔离。
图丨单片实现激光器与超低损耗的完整集成（来源：Nature）
而第二层氮化硅有效控制上方三五族/硅有源区域，与下方超低损耗无源区域的耦合，最终实现二者性能在单一芯片上的完整优化与协同工作。
图丨激光相位噪声（来源：Nature）
向超师从国际硅基光电子学的奠基人之一约翰·E·鲍尔斯（John E. Bowers）教授，他在博士和博士后阶段的主要研究方向为多层异质集成技术。在此期间，他主导研发了多项新型、高性能硅基异质集成光电子器件，包括氮化硅上单片集成激光器、硅基激光光孤子频率梳生成器、硅基窄线宽激光器等[2,3]（DeepTech 此前报道：中国学者实现光子芯片里程碑目标：在单个硅光芯片上集成激光与光频梳先进工艺）。
实际上，这项研究的目标在近十年前就被提出了。在他刚加入该课题组时，当时的半导体激光器线宽世界纪录是 10kHz 左右。但是，所有人都对利用异质集成实现窄线宽激光器的前景非常期待。
传统分离式器件之所以能够实现低噪声，是因为有极佳的低损耗谐振腔（如光纤等）。而三五族半导体激光器在过去几十年的发展过程中，一直没有能够与低损耗谐振腔实现完整地集成。“异质集成通过打破材料体系的限制，提供了新的可能性，也体现出了异质集成在实现高性能器件性能方面的优越性。”向超说道。
图丨3D 集成光芯片艺术创意图（来源：向超）
超低噪声激光器可以被用在精密传感、微波光子等一系列领域，而这些应用此前都是集成光电子芯片，尤其是激光器性能所无法满足的场景。该研究另一个重要的意义，是实现了激光器的免隔离器工作状态。
一般而言，激光器必须后置隔离器从而避免下游器件反射对激光器工作稳定状态的影响。“而我们由于集成了超高 Q 值谐振腔，激光器变得对反射极其不敏感，这个结果等于能够在片上集成的过程中拿掉了光隔离器。”向超表示。
其重要性在于，光隔离器往往需要磁光材料实现，与 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺线不兼容，而实现无需隔离器的激光器，对于直接提升光芯片的集成度具有重要意义。
他解释说道：“因为大规模集成器件引入的反射，终于可以不干扰直接片上集成激光器光源的稳定工作状态。那么，我们可以预见器件的规模上也能有很大的提升空间，特别是与该研究中的超低损耗集成光路配合实现。”
有望应用于微波光子学，实现低噪声微波信号合成
单就本次研究所实现的器件而言，向超认为，其有可能马上会被应用于微波光子学，实现低噪声微波信号合成。事实上，在该论文中，研究人员也尝试完成了一项微波信号合成的试验，低噪声的激光器为这一系列的应用打开了集成化的大门。
现阶段，硅光芯片最大的难点之一是激光器集成。另外，在成本、性能、功耗等方面也需要进一步提升。特别是成本依赖于产量，实际上，这是所有硅光芯片面对的重要问题之一。也就是说，如何通过大规模产量来降低器件成本，从而和其他的解决方案进行竞争，并进一步体现该技术的优势。
“现在的这种集成低噪声激光器有望将类似产品的价格降低至少 10 倍以上，而 3D 集成技术所带来的更多全新的器件的潜力有待进一步探索。”他说。
图丨激光器在自由运行和自注入锁定状态下的反馈敏感度（来源：Nature）
对于技术未来的产业化发展，向超表示，对这项技术的产业化前景持乐观态度。他认为，应该以需求为导向，在对器件性能主导的领域进行尝试。产业链的支撑方面，产业化成功的核心要素在于需要有代工厂的深度合作。
在回国至香港大学成立独立课题组后，向超的研究方向主要是异质光子集成、硅光子学、半导体激光器和光子集成电路。未来，他计划继续研究与拓展硅光芯片异质集成技术，尤其是利用 3D 集成平台提供的潜力。
具体来说，面向更多种不同的应用开展芯片架构设计与器件性能优化，他期待利用三五族、硅、氮化硅材料便实现绝大部分需要的光学功能，为不同应用提供芯片化的解决方案。
“光子芯片发挥更大作用的时代将会到来”
目前，硅光芯片已经被应用到数据中心光互连以及光通信系统中，未来硅光芯片有望应用在生物健康、计算、量子信息等领域。向超指出，硅光芯片在传感、芯片互联等方向也蕴藏着很多新机会。
技术的落地途径需要找到硅光芯片在价格与性能上的平衡点。具体来说，学术界以创新为首要因素，可以不计代价地追求最好的芯片器件性能以及各种指标。而对于产业界而言，如何在合适的时间内完成技术积累，并且实现正向的反馈很重要。
以这次新研究为例，向超分别对学术界和产业界可能关心的问题进行了推测，他表示：“学术界关注的重点问题可能是能否实现更低损耗、更高功率、更强抗反射、更低噪声光源与微波源；而产业界则更关心的焦点是，这项技术有没有排他性与必要性，能不能高良率、低成本地实现。”
图丨向超在全球青年科技领袖峰会演讲（来源：Nature）
随着近年来光芯片技术的不断出现，是否意味着我们进入了一个全新的光芯片时代呢？向超表示：“光的优势和劣势都很突出，它还有很大的发展空间。与其说以光芯片主导，我更愿意相信由光子来扮演重要的、甚至不可或缺作用的一个芯片时代一定会到来。”
他认为，光芯片的发展相对于电芯片而言时间比较短，所以国产的光芯片横向比较而言进展可能会更快一点。但是，在工艺制造水准、异质集成、光电协同等方面还需要更大的提升。
未来，他期待在大数据、大模型、物联网等的推动下，能有更多的参与者进行硅光芯片的研发，早日实现芯片光互联等足以颠覆行业格局的产业化应用，为实际应用提供集成光学解决方案。
参考资料：
1. C. Xiang, W. Jin, O. Terra, et al., 3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics. Nature 620, 78–85 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w
2. C. Xiang, J. Liu, J. Guo, L. Chang, R. N. Wang, W. Weng, J. Peters, W. Xie, Z. Zhang, J. Riemensberger et al., Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon, Science
373, 6550, 99–103(2021). https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abh2076
3. C. Xiang, J. Guo, W. Jin, L. Wu, J. Peters, W. Xie, L. Chang, B. Shen, H. Wang, Q.-F. Yang et al., High performance lasers for fully integrated silicon nitride photonics, Nature Communications 12,1,1–8（2021）. https://doi.org/10.1038/s41467-021-26804-9
