“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。現(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┦勘硎尽?/p>

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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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。“異質(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硎尽?/p>

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。”他說。

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