如今，半導體激光器在光纖通信領域已經取得了巨大成功。半導體激光器由於其低成本、低功耗等特點，被廣泛應用於光纖通信網絡。在當今的數據時代，數據中心的規模在極高速地增長。據了解，數據分析、數據中心的流量複合年增長率在 25% 左右，而在超大型數據中心則高達 40-50%。隨著數據總量的爆炸式增長，連接、處理這些數據帶來了巨大的電能消耗。目前，數據中心的耗電量已經占到全球總耗電量的 1% 以上，而這個比例也正在快速增長。為了實現更加節能的高速數據中心通信，以光信號為載體的光互連不可或缺，在光互連的應用中，集成光電芯片尤為重要。
得益於(yu) 矽材料在微電子領域的巨大成功，矽基光電子能夠使用成熟的互補金屬氧化物半導體(ti) （CMOS）製造工藝及設施從(cong) 而獲得高良品率、高性能、低成本的集成光學器件，在眾(zhong) 多光電芯片應用之中，矽基光電子正逐漸成為(wei) 主流的技術平台。
近日，美國加州大學聖巴巴拉分校John E. Bowers，瑞士洛桑聯邦理工學院Tobias J. Kippenberg報道了一種在單片矽（Si）基底上由磷化銦/矽（InP/Si）半導體(ti) 激光器和超低損耗氮化矽（Si3N4）微諧振器組成的異質集成激光孤子微梳。
矽基光電子學使集成光電芯片成為(wei) 可能，基於(yu) 矽的激光頻率梳可以為(wei) 每秒太比特的收發器、並行相幹光探測和測距或光子輔助信號處理提供相互相幹激光線的集成源。我們(men) 報道了在單片矽襯底上結合了磷化銦/矽(InP/Si)半導體(ti) 激光器和超低損耗氮化矽(Si3N4)微諧振器的非均勻集成激光孤子微梳。通過使用互補的金屬-氧化物-半導體(ti) 兼容技術，可以從(cong) 一個(ge) 晶圓中生產(chan) 出數千個(ge) 器件。通過對激光-微諧振器的相對光學相位進行片上電氣控製，這些器件可以輸出100千兆赫重複頻率的單孤子微梳。此外，我們(men) 觀察到由於(yu) InP/Si激光器對氮化矽微諧振腔的自注入鎖定，使得激光頻率噪聲降低。我們(men) 的方法為(wei) 下一代高容量收發器、數據中心、空間和移動平台提供了一個(ge) 大容量、低成本的窄線寬、基於(yu) 芯片的頻率梳。
圖文詳情
器件的工作原理，該研究是利用基於(yu) 磷化銦 / 矽的分布式反饋半導體(ti) （DFB）激光器的高功率單模輸出，通過熱電效應的光路相位控製，在氮化矽超低損耗非線性諧振腔內(nei) 產(chan) 生非線性振蕩，從(cong) 而產(chan) 生光孤子頻率梳。在這一過程中，激光器的輸出在非線性諧振腔中產(chan) 生的反饋信號會(hui) 讓這個(ge) 激光器 - 諧振腔耦合係統工作於(yu) 自注入鎖定狀態，這極大地提高了係統的整體(ti) 穩定性。其意義(yi) 在於(yu) ，這種反饋回到激光器的反射，不僅(jin) 不會(hui) 對激光器的穩定性造成幹擾，反而會(hui) 極大地降低激光器的相位噪聲，從(cong) 而降低激光器輸出的線寬。
圖1：設備器件、原理圖和工作原理
該研究工藝流程采用多層異質集成，通過兩(liang) 次晶圓鍵合實現磷化銦 / 矽 / 氮化矽的多層結構。利用氮化矽光子大馬士革工藝製備的超低損耗氮化矽波導與(yu) 微腔，經過化學機械拋光之後與(yu) 矽晶圓鍵合，矽器件結構製作完成，再與(yu) 磷化銦外延片晶圓鍵合，最後進行激光器製備工藝環節。
圖2：工藝流程（來源：Science）
光孤子頻率梳的產(chan) 生以及激光器噪聲的降低得益於(yu) UCSB 高性能磷化銦 / 矽激光器以及 EPFL 采用光子大馬士革工藝製造的氮化矽超低損耗非線性諧振腔的優(you) 越性能。
圖3：實驗獲得光孤子光頻梳的光譜。通過調整激光器的電流注入以及熱電相位控製器的電流輸入，可以穩定產(chan) 生不同狀態的光孤子狀態（來源：Science）
圖4：激光頻率噪聲譜和自注入鎖定梳子的產(chan) 生
這項研究為(wei) 下一代大容量收發器、數據中心、空間和移動平台的窄線寬、基於(yu) 芯片的頻率梳的大批量、低成本製造提供了一條途徑。
文章信息與(yu) 來源
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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