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科學(xué)家開發(fā)超免光隔離器激光器,助力硅光芯片高性能大規(guī)模集成

激光制造網(wǎng) 來源:DeepTech深科技2023-08-07 我要評論(0 )   

“在研究中,我們使用的工藝都與現(xiàn)有的 CMOS 工藝兼容,因此該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景十分明朗。傳統(tǒng)硅光芯片沒有集成激光光源,異質(zhì)集成半導(dǎo)體激光器解決了這一問題?,F(xiàn)在,3...

“在研究中,我們使用的工藝都與現(xiàn)有的 CMOS 工藝兼容,因此該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景十分明朗。傳統(tǒng)硅光芯片沒有集成激光光源,異質(zhì)集成半導(dǎo)體激光器解決了這一問題?,F(xiàn)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?!痹撜撐牡谝蛔髡呒肮餐ㄓ嵶髡呦虺┦勘硎?。


2022 年 8 月,向超加入香港大學(xué)成立課題組擔(dān)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(chuàng)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(xué)圣芭芭拉分校約翰·E·鮑爾斯(John E. Bowers)教授課題組聯(lián)合加州理工學(xué)院與 Anello Photonics 公司,為解決半導(dǎo)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(dǎo)(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(diào)氮化硅超高 Q 環(huán)形諧振腔,在 3D 硅光芯片上實現(xiàn)了擁有赫茲量級本征線寬的超低噪聲半導(dǎo)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(wěn)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(chǎn)生無光隔離器、寬帶可調(diào)的低噪聲拍頻外差微波信號。



該技術(shù)著眼于單片集成,這在芯片最終可擴展性與大規(guī)模生產(chǎn)的角度無疑是最終目標(biāo)。而通過單片集成避免復(fù)雜、昂貴的光學(xué)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(wěn)定性與可靠性、降低光學(xué)損耗。



“作為集成度最高的方案,片上光學(xué)功能的完整性同樣值得期待。雖然實現(xiàn)的過程很復(fù)雜,但是優(yōu)勢也很明顯?!毕虺f。



圖丨相關(guān)論文(來源:Nature)



近日,相關(guān)論文以《3D 集成可實現(xiàn)硅光子學(xué)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(fā)表在 Nature 上[1]。



加州大學(xué)圣芭芭拉分校的向超博士(現(xiàn)香港大學(xué)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(dān)任論文的共同通訊作者。



實現(xiàn)超低損波導(dǎo)和激光器的高度集成



在本次研究中,研究團隊實現(xiàn)了三五族激光器和超低損耗氮化硅波導(dǎo)在同一硅光芯片集成。為了實現(xiàn)這一目標(biāo),該團隊在異質(zhì)集成,甚至多層異質(zhì)集成技術(shù)方面進(jìn)行了多年努力。



由于激光器集成工藝流程的復(fù)雜性,單片實現(xiàn)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(dǎo)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?yán)昧硕鄬油|(zhì)原位生長以及異質(zhì)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(jié)構(gòu)有效分離有源區(qū)與無源區(qū),在垂直方向?qū)⒍唛g距增加至接近 5 微米,光場模式實現(xiàn)有效隔離。



圖丨單片實現(xiàn)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(qū)域,與下方超低損耗無源區(qū)域的耦合,最終實現(xiàn)二者性能在單一芯片上的完整優(yōu)化與協(xié)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(xué)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(zhì)集成技術(shù)。在此期間,他主導(dǎo)研發(fā)了多項新型、高性能硅基異質(zhì)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(xué)者實現(xiàn)光子芯片里程碑目標(biāo):在單個硅光芯片上集成激光與光頻梳先進(jìn)工藝)。



實際上,這項研究的目標(biāo)在近十年前就被提出了。在他剛加入該課題組時,當(dāng)時的半導(dǎo)體激光器線寬世界紀(jì)錄是 10kHz 左右。但是,所有人都對利用異質(zhì)集成實現(xiàn)窄線寬激光器的前景非常期待。



傳統(tǒng)分離式器件之所以能夠?qū)崿F(xiàn)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(dǎo)體激光器在過去幾十年的發(fā)展過程中,一直沒有能夠與低損耗諧振腔實現(xiàn)完整地集成?!爱愘|(zhì)集成通過打破材料體系的限制,提供了新的可能性,也體現(xiàn)出了異質(zhì)集成在實現(xiàn)高性能器件性能方面的優(yōu)越性?!毕虺f道。



圖丨3D 集成光芯片藝術(shù)創(chuàng)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(lǐng)域,而這些應(yīng)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(xiàn)了激光器的免隔離器工作狀態(tài)。



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(wěn)定狀態(tài)的影響?!岸覀冇捎诩闪顺?Q 值諧振腔,激光器變得對反射極其不敏感,這個結(jié)果等于能夠在片上集成的過程中拿掉了光隔離器?!毕虺硎?。



其重要性在于,光隔離器往往需要磁光材料實現(xiàn),與 CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor,互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝線不兼容,而實現(xiàn)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(guī)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(wěn)定工作狀態(tài)。那么,我們可以預(yù)見器件的規(guī)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(xiàn)?!?/p>



有望應(yīng)用于微波光子學(xué),實現(xiàn)低噪聲微波信號合成



單就本次研究所實現(xiàn)的器件而言,向超認(rèn)為,其有可能馬上會被應(yīng)用于微波光子學(xué),實現(xiàn)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(yīng)用打開了集成化的大門。



現(xiàn)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(jìn)一步提升。特別是成本依賴于產(chǎn)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(guī)模產(chǎn)量來降低器件成本,從而和其他的解決方案進(jìn)行競爭,并進(jìn)一步體現(xiàn)該技術(shù)的優(yōu)勢。



“現(xiàn)在的這種集成低噪聲激光器有望將類似產(chǎn)品的價格降低至少 10 倍以上,而 3D 集成技術(shù)所帶來的更多全新的器件的潛力有待進(jìn)一步探索?!彼f。



圖丨激光器在自由運行和自注入鎖定狀態(tài)下的反饋敏感度(來源:Nature)



對于技術(shù)未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,向超表示,對這項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景持樂觀態(tài)度。他認(rèn)為,應(yīng)該以需求為導(dǎo)向,在對器件性能主導(dǎo)的領(lǐng)域進(jìn)行嘗試。產(chǎn)業(yè)鏈的支撐方面,產(chǎn)業(yè)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(xué)成立獨立課題組后,向超的研究方向主要是異質(zhì)光子集成、硅光子學(xué)、半導(dǎo)體激光器和光子集成電路。未來,他計劃繼續(xù)研究與拓展硅光芯片異質(zhì)集成技術(shù),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(yīng)用開展芯片架構(gòu)設(shè)計與器件性能優(yōu)化,他期待利用三五族、硅、氮化硅材料便實現(xiàn)絕大部分需要的光學(xué)功能,為不同應(yīng)用提供芯片化的解決方案。



“光子芯片發(fā)揮更大作用的時代將會到來”



目前,硅光芯片已經(jīng)被應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心光互連以及光通信系統(tǒng)中,未來硅光芯片有望應(yīng)用在生物健康、計算、量子信息等領(lǐng)域。向超指出,硅光芯片在傳感、芯片互聯(lián)等方向也蘊藏著很多新機會。



技術(shù)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(xué)術(shù)界以創(chuàng)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(biāo)。而對于產(chǎn)業(yè)界而言,如何在合適的時間內(nèi)完成技術(shù)積累,并且實現(xiàn)正向的反饋很重要。



以這次新研究為例,向超分別對學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界可能關(guān)心的問題進(jìn)行了推測,他表示:“學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點問題可能是能否實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)界則更關(guān)心的焦點是,這項技術(shù)有沒有排他性與必要性,能不能高良率、低成本地實現(xiàn)?!?/p>



圖丨向超在全球青年科技領(lǐng)袖峰會演講(來源:Nature)



隨著近年來光芯片技術(shù)的不斷出現(xiàn),是否意味著我們進(jìn)入了一個全新的光芯片時代呢?向超表示:“光的優(yōu)勢和劣勢都很突出,它還有很大的發(fā)展空間。與其說以光芯片主導(dǎo),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?!?/p>



他認(rèn)為,光芯片的發(fā)展相對于電芯片而言時間比較短,所以國產(chǎn)的光芯片橫向比較而言進(jìn)展可能會更快一點。但是,在工藝制造水準(zhǔn)、異質(zhì)集成、光電協(xié)同等方面還需要更大的提升。



未來,他期待在大數(shù)據(jù)、大模型、物聯(lián)網(wǎng)等的推動下,能有更多的參與者進(jìn)行硅光芯片的研發(fā),早日實現(xiàn)芯片光互聯(lián)等足以顛覆行業(yè)格局的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,為實際應(yīng)用提供集成光學(xué)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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