如今，半導體激光器在光纖通信領域已經取得了巨大成功。半導體激光器由于其低成本、低功耗等特點，被廣泛應用于光纖通信網絡。在當今的數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模在極高速地增長。據(jù)了解，數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)中心的流量復合年增長率在 25% 左右，而在超大型數(shù)據(jù)中心則高達 40-50%。隨著數(shù)據(jù)總量的爆炸式增長，連接、處理這些數(shù)據(jù)帶來了巨大的電能消耗。目前，數(shù)據(jù)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(xiàn)更加節(jié)能的高速數(shù)據(jù)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。
得益于硅材料在微電子領域的巨大成功，硅基光電子能夠使用成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝及設施從而獲得高良品率、高性能、低成本的集成光學器件，在眾多光電芯片應用之中，硅基光電子正逐漸成為主流的技術平臺。
近日，美國加州大學圣巴巴拉分校John E. Bowers，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Tobias J. Kippenberg報道了一種在單片硅（Si）基底上由磷化銦/硅（InP/Si）半導體激光器和超低損耗氮化硅（Si3N4）微諧振器組成的異質集成激光孤子微梳。
硅基光電子學使集成光電芯片成為可能，基于硅的激光頻率梳可以為每秒太比特的收發(fā)器、并行相干光探測和測距或光子輔助信號處理提供相互相干激光線的集成源。我們報道了在單片硅襯底上結合了磷化銦/硅(InP/Si)半導體激光器和超低損耗氮化硅(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-半導體兼容技術，可以從一個晶圓中生產出數(shù)千個器件。通過對激光-微諧振器的相對光學相位進行片上電氣控制，這些器件可以輸出100千兆赫重復頻率的單孤子微梳。此外，我們觀察到由于InP/Si激光器對氮化硅微諧振腔的自注入鎖定，使得激光頻率噪聲降低。我們的方法為下一代高容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、空間和移動平臺提供了一個大容量、低成本的窄線寬、基于芯片的頻率梳。
圖文詳情
器件的工作原理，該研究是利用基于磷化銦 / 硅的分布式反饋半導體（DFB）激光器的高功率單模輸出，通過熱電效應的光路相位控制，在氮化硅超低損耗非線性諧振腔內產生非線性振蕩，從而產生光孤子頻率梳。在這一過程中，激光器的輸出在非線性諧振腔中產生的反饋信號會讓這個激光器 - 諧振腔耦合系統(tǒng)工作于自注入鎖定狀態(tài)，這極大地提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。其意義在于，這種反饋回到激光器的反射，不僅不會對激光器的穩(wěn)定性造成干擾，反而會極大地降低激光器的相位噪聲，從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，通過兩次晶圓鍵合實現(xiàn)磷化銦 / 硅 / 氮化硅的多層結構。利用氮化硅光子大馬士革工藝制備的超低損耗氮化硅波導與微腔，經過化學機械拋光之后與硅晶圓鍵合，硅器件結構制作完成，再與磷化銦外延片晶圓鍵合，最后進行激光器制備工藝環(huán)節(jié)。
圖2：工藝流程（來源：Science）
光孤子頻率梳的產生以及激光器噪聲的降低得益于 UCSB 高性能磷化銦 / 硅激光器以及 EPFL 采用光子大馬士革工藝制造的氮化硅超低損耗非線性諧振腔的優(yōu)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制器的電流輸入，可以穩(wěn)定產生不同狀態(tài)的光孤子狀態(tài)（來源：Science）
圖4：激光頻率噪聲譜和自注入鎖定梳子的產生
這項研究為下一代大容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、空間和移動平臺的窄線寬、基于芯片的頻率梳的大批量、低成本制造提供了一條途徑。
文章信息與來源
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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