光学新突破：首个集成激光和Microcomb的商用可扩展单芯片获进展

15年前，加州大学圣巴巴拉分校电气和材料教授约翰·鲍尔斯(John Bowers)开创了一种将激光器集成到硅片上的方法。此后，该技术与其他硅光子学设备一起被广泛部署，以取代以前连接数据中心服务器的铜线互连，较大地提高了能源效率。在数据流量每年大约增长25%的情况下，这无疑是一项重要的工作。

在过去几年来，鲍尔斯带领的科研团队一直和瑞士联邦理工学院(EPFL)的Tobias J.Kippenberg 小组合作，参与了国防高级研究计划局(DARPA)的直接片上数字光学合成器(DODOS)项目。Kippenberg小组发现了“微梳”(microcombs)，即一系列平行、低噪音、高度稳定的激光线。激光 microcombs的许多条线中的每一条都可以携带信息，广泛地倍增了单个激光器可以发送的数据量。

此前有几个团队已经将半导体激光器芯片和一个独立的氮化硅环形共振器芯片非常接近地放置在一起，展示了非常紧凑的microcombs。不过激光器和谐振器仍然需要独立制造，然后在彼此接近的地方进行完全对齐，这是一个昂贵和耗时的过程，因此无法扩展。

Bowers实验室与Kippenberg实验室合作，开发了一个集成的片上半导体激光器和谐振器，能够产生一个激光microcombs。发表在新一期《Science》杂志上的一篇题为《Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon》的论文，描述了实验室在成为第一个实现这一目标方面的成功。

孤子微梳(Soliton microcombs)是一种光学频率梳，它发射出相互相干的激光线--也就是说，这些激光线彼此之间处于恒定不变的相位。该技术被应用于光学计时、计量和传感领域。最近的现场演示包括每秒多比特的光通信、超快光探测和测距(LiDAR)、神经形态计算和用于行星搜索的天体物理光谱仪校准，仅举几例。这是一个强大的工具，通常需要特别高的功率和昂贵的激光器以及复杂的光学耦合才能发挥作用。

这项研究使半导体激光器能够与低损耗的非线性光学微谐振器无缝集成--"低损耗"是因为光可以在波导中传播而不会因距离而损失大量的强度。不需要光学耦合，而且该装置完全由电子控制。重要的是，这项新技术适合于商业规模的生产，因为使用行业标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容技术，可以在一块晶圆上制造出成千上万的装置。"研究人员说："我们的方法为大批量、低成本制造基于芯片的频率梳铺平了道路，用于下一代大容量收发器、数据中心、太空和移动平台。

制造该设备的关键挑战是，半导体激光器和产生梳状物的谐振器必须建立在不同的材料平台上。激光器只能用元素周期表上III族和V族的材料制造，如磷化铟，而好的microcombs只能用氮化硅制造。该论文的主要作者主要作者Chao Xiang解释道：“因此，我们必须找到一种方法，将它们放在一块晶圆上”。

在同一块晶圆上连续工作，研究人员利用UCSB的异质集成工艺在硅衬底上制造高性能激光器，以及他们的EPFL合作者使用他们开发的"光子大马士革工艺"制造记录超低损耗高Q值氮化硅微谐振器的能力。晶圆规模的工艺--与制作单个器件然后逐一组合的工艺相反--能够用一个直径100毫米的晶圆制作数千个器件，这一生产水平可以在工业标准的200毫米或300毫米直径的基片上进一步扩大。

为了使该装置正常工作，必须控制激光器、谐振器和它们之间的光相位，以建立一个基于"自射锁定"现象的耦合系统。Xiang解释说，激光器的输出部分被微型谐振器反向反射。当来自激光器的光和来自谐振器的背反射光之间达到一定的相位条件时，激光器被称为锁定在谐振器上。

Xiang解释说，目前的microcombs产生了大约二十到三十条可用的microcombs线，未来的目标将是增加这个数字，"希望能从每个激光共振器中获得一百条组合线，而且功耗低"。