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15年前，加州大學(xué)圣巴巴拉分校電氣和材料教授John Bowers開創(chuàng)了一種將激光器集成到硅片上的方法。此后，該技術(shù)與其他硅光子學(xué)設(shè)備一起被廣泛部署，以取代以前連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的銅線互連，極大提高了能源效率。在數(shù)據(jù)流量每年大約增長(zhǎng)25%的情況下，這無(wú)疑是一項(xiàng)重要工作。

在過(guò)去幾年來(lái)，鮑爾斯帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)一直和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Tobias J. Kippenberg小組合作，參與了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的直接片上數(shù)字光學(xué)合成器（DODOS）項(xiàng)目。Kippenberg小組發(fā)現(xiàn)了“微梳”（microcombs），即一系列平行、低噪音、高度穩(wěn)定的激光線。激光microcombs的許多條線中的每一條都可以攜帶信息，廣泛地倍增了單個(gè)激光器可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

此前有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將半導(dǎo)體激光器芯片和一個(gè)獨(dú)立的氮化硅環(huán)形共振器芯片非常接近地放置在一起，展示了非常緊湊的microcombs。不過(guò)激光器和諧振器仍然需要獨(dú)立制造，然后在彼此接近的地方進(jìn)行完全對(duì)齊，這是一個(gè)昂貴和耗時(shí)的過(guò)程，因此無(wú)法擴(kuò)展。

Bowers實(shí)驗(yàn)室與Kippenberg 實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了一個(gè)集成的片上半導(dǎo)體激光器和諧振器，能夠產(chǎn)生一個(gè)激光microcombs。發(fā)表在新一期《Science》雜志上的一篇題為L(zhǎng)aser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon的論文，描述了實(shí)驗(yàn)室在成為第一個(gè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面的成功。

孤子微梳（Soliton microcombs）是一種光學(xué)頻率梳，它發(fā)射出相互相干的激光線--也就是說(shuō)，這些激光線彼此之間處于恒定不變的相位。該技術(shù)被應(yīng)用于光學(xué)計(jì)時(shí)、計(jì)量和傳感領(lǐng)域。最近的現(xiàn)場(chǎng)演示包括每秒多比特的光通信、超快光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和用于行星搜索的天體物理光譜儀校準(zhǔn)，僅舉幾例。這是一個(gè)強(qiáng)大的工具，通常需要特別高的功率和昂貴的激光器以及復(fù)雜的光學(xué)耦合才能發(fā)揮作用。

這項(xiàng)研究使半導(dǎo)體激光器能夠與低損耗的非線性光學(xué)微諧振器無(wú)縫集成—“低損耗”是因?yàn)楣饪梢栽诓▽?dǎo)中傳播而不會(huì)因距離而損失大量的強(qiáng)度。不需要光學(xué)耦合，而且該裝置完全由電子控制。重要的是，這項(xiàng)新技術(shù)適合于商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，因?yàn)槭褂眯袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容技術(shù)，可以在一塊晶圓上制造出成千上萬(wàn)的裝置。研究人員說(shuō)：：“我們的方法為大批量、低成本制造基于芯片的頻率梳鋪平了道路，用于下一代大容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、太空和移動(dòng)平臺(tái)?！?/p>

制造該設(shè)備的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，半導(dǎo)體激光器和產(chǎn)生梳狀物的諧振器必須建立在不同的材料平臺(tái)上。激光器只能用元素周期表上III族和V族的材料制造，如磷化銦，而最好的 microcombs 只能用氮化硅制造。該論文的主要作者主要作者Chao Xiang 解釋道：“因此，我們必須找到一種方法，將它們放在一塊晶圓上?！?/p>

在同一塊晶圓上連續(xù)工作，研究人員利用 UCSB 的異質(zhì)集成工藝在硅襯底上制造高性能激光器，以及他們的EPFL合作者使用他們開發(fā)的“光子大馬士革工藝”制造記錄超低損耗高Q值氮化硅微諧振器的能力。晶圓規(guī)模的工藝--與制作單個(gè)器件然后逐一組合的工藝相反--能夠用一個(gè)直徑100毫米的晶圓制作數(shù)千個(gè)器件，這一生產(chǎn)水平可以在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的200毫米或300毫米直徑的基片上進(jìn)一步擴(kuò)大。

為了使該裝置正常工作，必須控制激光器、諧振器和它們之間的光相位，以建立一個(gè)基于“自射鎖定”現(xiàn)象的耦合系統(tǒng)。Xiang解釋說(shuō)，激光器的輸出部分被微型諧振器反向反射。當(dāng)來(lái)自激光器的光和來(lái)自諧振器的背反射光之間達(dá)到一定的相位條件時(shí)，激光器被稱為鎖定在諧振器上。

Xiang解釋說(shuō)，目前的microcombs產(chǎn)生了大約二十到三十條可用的microcombs線，未來(lái)的目標(biāo)將是增加這個(gè)數(shù)字。希望能從每個(gè)激光共振器中獲得一百條組合線，而且功耗低。