如今，半導(dǎo)體激光器在光纖通信領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大成功。半導(dǎo)體激光器由于其低成本、低功耗等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光纖通信網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)今的數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在極高速地增長(zhǎng)。據(jù)了解，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)中心的流量復(fù)合年增長(zhǎng)率在 25% 左右，而在超大型數(shù)據(jù)中心則高達(dá) 40-50%。隨著數(shù)據(jù)總量的爆炸式增長(zhǎng)，連接、處理這些數(shù)據(jù)帶來(lái)了巨大的電能消耗。目前，數(shù)據(jù)中心的耗電量已經(jīng)占到全球總耗電量的 1% 以上，而這個(gè)比例也正在快速增長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的高速數(shù)據(jù)中心通信，以光信號(hào)為載體的光互連不可或缺，在光互連的應(yīng)用中，集成光電芯片尤為重要。
得益于硅材料在微電子領(lǐng)域的巨大成功，硅基光電子能夠使用成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝及設(shè)施從而獲得高良品率、高性能、低成本的集成光學(xué)器件，在眾多光電芯片應(yīng)用之中，硅基光電子正逐漸成為主流的技術(shù)平臺(tái)。
近日，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校John E. Bowers，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Tobias J. Kippenberg報(bào)道了一種在單片硅（Si）基底上由磷化銦/硅（InP/Si）半導(dǎo)體激光器和超低損耗氮化硅（Si3N4）微諧振器組成的異質(zhì)集成激光孤子微梳。
硅基光電子學(xué)使集成光電芯片成為可能，基于硅的激光頻率梳可以為每秒太比特的收發(fā)器、并行相干光探測(cè)和測(cè)距或光子輔助信號(hào)處理提供相互相干激光線的集成源。我們報(bào)道了在單片硅襯底上結(jié)合了磷化銦/硅(InP/Si)半導(dǎo)體激光器和超低損耗氮化硅(Si3N4)微諧振器的非均勻集成激光孤子微梳。通過(guò)使用互補(bǔ)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體兼容技術(shù)，可以從一個(gè)晶圓中生產(chǎn)出數(shù)千個(gè)器件。通過(guò)對(duì)激光-微諧振器的相對(duì)光學(xué)相位進(jìn)行片上電氣控制，這些器件可以輸出100千兆赫重復(fù)頻率的單孤子微梳。此外，我們觀察到由于InP/Si激光器對(duì)氮化硅微諧振腔的自注入鎖定，使得激光頻率噪聲降低。我們的方法為下一代高容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、空間和移動(dòng)平臺(tái)提供了一個(gè)大容量、低成本的窄線寬、基于芯片的頻率梳。
圖文詳情
器件的工作原理，該研究是利用基于磷化銦 / 硅的分布式反饋半導(dǎo)體（DFB）激光器的高功率單模輸出，通過(guò)熱電效應(yīng)的光路相位控制，在氮化硅超低損耗非線性諧振腔內(nèi)產(chǎn)生非線性振蕩，從而產(chǎn)生光孤子頻率梳。在這一過(guò)程中，激光器的輸出在非線性諧振腔中產(chǎn)生的反饋信號(hào)會(huì)讓這個(gè)激光器 - 諧振腔耦合系統(tǒng)工作于自注入鎖定狀態(tài)，這極大地提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。其意義在于，這種反饋回到激光器的反射，不僅不會(huì)對(duì)激光器的穩(wěn)定性造成干擾，反而會(huì)極大地降低激光器的相位噪聲，從而降低激光器輸出的線寬。
圖1：設(shè)備器件、原理圖和工作原理
該研究工藝流程采用多層異質(zhì)集成，通過(guò)兩次晶圓鍵合實(shí)現(xiàn)磷化銦 / 硅 / 氮化硅的多層結(jié)構(gòu)。利用氮化硅光子大馬士革工藝制備的超低損耗氮化硅波導(dǎo)與微腔，經(jīng)過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光之后與硅晶圓鍵合，硅器件結(jié)構(gòu)制作完成，再與磷化銦外延片晶圓鍵合，最后進(jìn)行激光器制備工藝環(huán)節(jié)。
圖2：工藝流程（來(lái)源：Science）
光孤子頻率梳的產(chǎn)生以及激光器噪聲的降低得益于 UCSB 高性能磷化銦 / 硅激光器以及 EPFL 采用光子大馬士革工藝制造的氮化硅超低損耗非線性諧振腔的優(yōu)越性能。
圖3：實(shí)驗(yàn)獲得光孤子光頻梳的光譜。通過(guò)調(diào)整激光器的電流注入以及熱電相位控制器的電流輸入，可以穩(wěn)定產(chǎn)生不同狀態(tài)的光孤子狀態(tài)（來(lái)源：Science）
圖4：激光頻率噪聲譜和自注入鎖定梳子的產(chǎn)生
這項(xiàng)研究為下一代大容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、空間和移動(dòng)平臺(tái)的窄線寬、基于芯片的頻率梳的大批量、低成本制造提供了一條途徑。
文章信息與來(lái)源
1、Chao Xiang, et al, Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon, Science, 2021
DOI: 10.1126/science.abh2076
https://science.sciencemag.org/content/373/6550/99
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