“在研究中，我們使用的工藝都與現有的 CMOS 工藝兼容，因此該技術的產業化前景十分明朗。傳統硅光芯片沒有集成激光光源，異質集成半導體激光器解決了這一問題。現在，3D 集成讓硅光芯片不僅有激光器，還擁有性能最佳的激光器。”該論文第一作者及共同通訊作者向超博士表示。
2022 年 8 月，向超加入香港大學成立課題組擔任助理教授。前不久，他成為 2022 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國入選者之一。
圖丨向超（來源：向超）
最近，美國加州大學圣芭芭拉分校約翰·E·鮑爾斯（John E. Bowers）教授課題組聯合加州理工學院與 Anello Photonics 公司，為解決半導體激光器的高相位噪聲問題提供了新的方案，首次完成了激光器與超低損耗波導（0.5dB/m）的單片集成。該團隊采用磷化銦/硅分布式反饋激光器的自注入鎖定，與熱光可調氮化硅超高 Q 環形諧振腔，在 3D 硅光芯片上實現了擁有赫茲量級本征線寬的超低噪聲半導體激光器。
利用超高 Q 腔可以有效阻擋任何下游片上，或者片外的反射引起的不穩定，消除了激光器對光隔離器的需求。此外，通過在同一片上使用兩個超低噪聲激光器，從而產生無光隔離器、寬帶可調的低噪聲拍頻外差微波信號。
該技術著眼于單片集成，這在芯片最終可擴展性與大規模生產的角度無疑是最終目標。而通過單片集成避免復雜、昂貴的光學封裝，有望大幅度降低類似光芯片、光模塊器件的價格與成本，而且同時提高穩定性與可靠性、降低光學損耗。
“作為集成度最高的方案，片上光學功能的完整性同樣值得期待。雖然實現的過程很復雜，但是優勢也很明顯。”向超說。
圖丨相關論文（來源：Nature）
近日，相關論文以《3D 集成可實現硅光子學中的超低噪聲無隔離器激光器》（3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics）為題發表在 Nature 上[1]。
加州大學圣芭芭拉分校的向超博士（現香港大學助理教授）、金閏（Warren Jin）博士、奧薩馬·特拉（Osama Terra）博士、董伯彰博士為論文的共同第一作者，向超博士與約翰·E·鮑爾斯（John E. Bowers）教授擔任論文的共同通訊作者。
實現超低損波導和激光器的高度集成
在本次研究中，研究團隊實現了三五族激光器和超低損耗氮化硅波導在同一硅光芯片集成。為了實現這一目標，該團隊在異質集成，甚至多層異質集成技術方面進行了多年努力。
由于激光器集成工藝流程的復雜性，單片實現窄線寬激光器所需要的三五族材料加工工藝往往會影響低損耗波導的低損耗性能，從而影響最終激光器的性能。
圖丨3D 集成激光器芯片實物圖以及橫截面示意圖（來源：Nature）
這種 3D 集成工藝利用了多層同質原位生長以及異質晶圓鍵合工藝，通過有源與無源的有效集成。向超表示，為了將這兩類材料隔離開來，研究團隊利用雙層氮化硅結構有效分離有源區與無源區，在垂直方向將二者間距增加至接近 5 微米，光場模式實現有效隔離。
圖丨單片實現激光器與超低損耗的完整集成（來源：Nature）
而第二層氮化硅有效控制上方三五族/硅有源區域，與下方超低損耗無源區域的耦合，最終實現二者性能在單一芯片上的完整優化與協同工作。
圖丨激光相位噪聲（來源：Nature）
向超師從國際硅基光電子學的奠基人之一約翰·E·鮑爾斯（John E. Bowers）教授，他在博士和博士后階段的主要研究方向為多層異質集成技術。在此期間，他主導研發了多項新型、高性能硅基異質集成光電子器件，包括氮化硅上單片集成激光器、硅基激光光孤子頻率梳生成器、硅基窄線寬激光器等[2,3]（DeepTech 此前報道：中國學者實現光子芯片里程碑目標：在單個硅光芯片上集成激光與光頻梳先進工藝）。
實際上，這項研究的目標在近十年前就被提出了。在他剛加入該課題組時，當時的半導體激光器線寬世界紀錄是 10kHz 左右。但是，所有人都對利用異質集成實現窄線寬激光器的前景非常期待。
傳統分離式器件之所以能夠實現低噪聲，是因為有極佳的低損耗諧振腔（如光纖等）。而三五族半導體激光器在過去幾十年的發展過程中，一直沒有能夠與低損耗諧振腔實現完整地集成。“異質集成通過打破材料體系的限制，提供了新的可能性，也體現出了異質集成在實現高性能器件性能方面的優越性。”向超說道。
圖丨3D 集成光芯片藝術創意圖（來源：向超）
超低噪聲激光器可以被用在精密傳感、微波光子等一系列領域，而這些應用此前都是集成光電子芯片，尤其是激光器性能所無法滿足的場景。該研究另一個重要的意義，是實現了激光器的免隔離器工作狀態。
一般而言，激光器必須后置隔離器從而避免下游器件反射對激光器工作穩定狀態的影響。“而我們由于集成了超高 Q 值諧振腔，激光器變得對反射極其不敏感，這個結果等于能夠在片上集成的過程中拿掉了光隔離器。”向超表示。
其重要性在于，光隔離器往往需要磁光材料實現，與 CMOS（Complementary metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）工藝線不兼容，而實現無需隔離器的激光器，對于直接提升光芯片的集成度具有重要意義。
他解釋說道：“因為大規模集成器件引入的反射，終于可以不干擾直接片上集成激光器光源的穩定工作狀態。那么，我們可以預見器件的規模上也能有很大的提升空間，特別是與該研究中的超低損耗集成光路配合實現。”
有望應用于微波光子學，實現低噪聲微波信號合成
單就本次研究所實現的器件而言，向超認為，其有可能馬上會被應用于微波光子學，實現低噪聲微波信號合成。事實上，在該論文中，研究人員也嘗試完成了一項微波信號合成的試驗，低噪聲的激光器為這一系列的應用打開了集成化的大門。
現階段，硅光芯片最大的難點之一是激光器集成。另外，在成本、性能、功耗等方面也需要進一步提升。特別是成本依賴于產量，實際上，這是所有硅光芯片面對的重要問題之一。也就是說，如何通過大規模產量來降低器件成本，從而和其他的解決方案進行競爭，并進一步體現該技術的優勢。
“現在的這種集成低噪聲激光器有望將類似產品的價格降低至少 10 倍以上，而 3D 集成技術所帶來的更多全新的器件的潛力有待進一步探索。”他說。
圖丨激光器在自由運行和自注入鎖定狀態下的反饋敏感度（來源：Nature）
對于技術未來的產業化發展，向超表示，對這項技術的產業化前景持樂觀態度。他認為，應該以需求為導向，在對器件性能主導的領域進行嘗試。產業鏈的支撐方面，產業化成功的核心要素在于需要有代工廠的深度合作。
在回國至香港大學成立獨立課題組后，向超的研究方向主要是異質光子集成、硅光子學、半導體激光器和光子集成電路。未來，他計劃繼續研究與拓展硅光芯片異質集成技術，尤其是利用 3D 集成平臺提供的潛力。
具體來說，面向更多種不同的應用開展芯片架構設計與器件性能優化，他期待利用三五族、硅、氮化硅材料便實現絕大部分需要的光學功能，為不同應用提供芯片化的解決方案。
“光子芯片發揮更大作用的時代將會到來”
目前，硅光芯片已經被應用到數據中心光互連以及光通信系統中，未來硅光芯片有望應用在生物健康、計算、量子信息等領域。向超指出，硅光芯片在傳感、芯片互聯等方向也蘊藏著很多新機會。
技術的落地途徑需要找到硅光芯片在價格與性能上的平衡點。具體來說，學術界以創新為首要因素，可以不計代價地追求最好的芯片器件性能以及各種指標。而對于產業界而言，如何在合適的時間內完成技術積累，并且實現正向的反饋很重要。
以這次新研究為例，向超分別對學術界和產業界可能關心的問題進行了推測，他表示：“學術界關注的重點問題可能是能否實現更低損耗、更高功率、更強抗反射、更低噪聲光源與微波源；而產業界則更關心的焦點是，這項技術有沒有排他性與必要性，能不能高良率、低成本地實現。”
圖丨向超在全球青年科技領袖峰會演講（來源：Nature）
隨著近年來光芯片技術的不斷出現，是否意味著我們進入了一個全新的光芯片時代呢？向超表示：“光的優勢和劣勢都很突出，它還有很大的發展空間。與其說以光芯片主導，我更愿意相信由光子來扮演重要的、甚至不可或缺作用的一個芯片時代一定會到來。”
他認為，光芯片的發展相對于電芯片而言時間比較短，所以國產的光芯片橫向比較而言進展可能會更快一點。但是，在工藝制造水準、異質集成、光電協同等方面還需要更大的提升。
未來，他期待在大數據、大模型、物聯網等的推動下，能有更多的參與者進行硅光芯片的研發，早日實現芯片光互聯等足以顛覆行業格局的產業化應用，為實際應用提供集成光學解決方案。
參考資料：
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
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