科技前沿

新型光电子芯片集成半导体激光器和光频梳

  

      近日,美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的联合团队采用多层异质集成技术成功实现了一种新的集成光电子器件。他们在一个 4 寸的硅基衬底上采用 CMOS 兼容的半导体工艺,实现了半导体激光器和非线性光频梳的单片全集成和功能化。相关研究以《硅上异质集成的激光 - 光孤子微梳》(“Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon”)为题发表在 Science,并且被 THIS WEEK IN SCIENCE 专栏重点介绍。

  

      

图丨器件图片,整个工艺流程在一片 4 寸硅基晶圆上完成(来源:Science

该研究是利用基于磷化铟 / 硅的分布式反馈半导体(DFB)激光器的高功率单模输出,通过热电效应的光路相位控制,在氮化硅超低损耗非线性谐振腔内产生非线性振荡,从而产生光孤子频率梳。在这一过程中,激光器的输出在非线性谐振腔中产生的反馈信号会让这个激光器 - 谐振腔耦合系统工作于自注入锁定状态,这极大地提高了系统的整体稳定性。

其意义在于,这种反馈回到激光器的反射,不仅不会对激光器的稳定性造成干扰,反而会极大地降低激光器的相位噪声,从而降低激光器输出的线宽。该结果
不仅是首次实现了激光器 - 光孤子频率梳的在单个芯片上的异质集成,而且代表了目前片上集成低噪声激光器的最优越性能。

   

 

 图丨器件工作原理图(来源:Science

  

       该研究由 UCSB EPFL 团队紧密合作,充分发挥两个团队在各自研究领域的技术优势。

其中,UCSB 研究组首创并多年来一直深耕于硅基半导体磷化铟 / 硅异质集成激光器的研发,而 EPFL 研究组在国际上首次实现基于光学微腔的孤子频率梳,并研发出领先世界的超低损耗非线性氮化硅集成光路。该研究工艺流程采用多层异质集成,通过两次晶圆键合实现磷化铟 / / 氮化硅的多层结构。利用氮化硅光子大马士革工艺制备的超低损耗氮化硅波导与微腔,经过化学机械抛光之后与硅晶圆键合,硅器件结构制作完成,再与磷化铟外延片晶圆键合,最后进行激光器制备工艺环节。

   

图丨工艺流程(来源:Science

       光孤子频率梳的产生以及激光器噪声的降低得益于 UCSB 高性能磷化铟 / 硅激光器以及 EPFL 采用光子大马士革工艺制造的氮化硅超低损耗非线性谐振腔的优越性能。

图丨实验获得光孤子光频梳的光谱。通过调整激光器的电流注入以及热电相位控制器的电流输入,可以稳定产生不同状态的光孤子状态(来源:Science

      

       该器件证明,现代先进半导体工艺可以大规模、高产量、低价格地制备光孤子频率梳。并且,工艺流程可以不依赖昂贵的、高能耗、大尺寸、高功率的激光器和放大器,也不依赖光纤连接以及昂贵的、人工的光学对准封装。此外,这项异质集成技术还可以无缝隙地集成在硅基光电子芯片。该研究利用非线性光学现象,由一个激光器的载波输出便可以产生数十个甚至上百个稳定的光载波。

而且,这些光载波之间频率间距固定、相干度高,从而成倍地增加了可以用作数据通信的通道数量。有希望成倍地降低未来高容量数据互联和通信的能耗,或者在相同能耗的情况下,成倍地提升通信数据容量。
       其主要意义有两点:

       第一,这将极大的推动和扩展激光光频梳进入各种应用领域,如在光学测量、精密光谱学、高速大容量光通信、激光雷达等领域发挥重要作用;

       第二,光孤子频率梳可以作为成熟硅基光电子平台的独立基本组成单元,从而与现有的各种光电子器件完全集成,助力实现下一代先进集成光电子芯片。