如今，半导体激光器在光纤通信领域已经取得了巨大成功。半导体激光器由于其低成本、低功耗等特点，被广泛应用于光纤通信网络。在当今的数据时代，数据中心的规模在极高速地增长。据了解，数据分析、数据中心的流量复合年增长率在 25% 左右，而在超大型数据中心则高达 40-50%。随着数据总量的爆炸式增长，连接、处理这些数据带来了巨大的电能消耗。目前，数据中心的耗电量已经占到全球总耗电量的 1% 以上，而这个比例也正在快速增长。为了实现更加节能的高速数据中心通信，以光信号为载体的光互连不可或缺，在光互连的应用中，集成光电芯片尤为重要。
得益于硅材料在微电子领域的巨大成功，硅基光电子能够使用成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺及设施从而获得高良品率、高性能、低成本的集成光学器件，在众多光电芯片应用之中，硅基光电子正逐渐成为主流的技术平台。
近日，美国加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers，瑞士洛桑联邦理工学院Tobias J. Kippenberg报道了一种在单片硅（Si）基底上由磷化铟/硅（InP/Si）半导体激光器和超低损耗氮化硅（Si3N4）微谐振器组成的异质集成激光孤子微梳。
硅基光电子学使集成光电芯片成为可能，基于硅的激光频率梳可以为每秒太比特的收发器、并行相干光探测和测距或光子辅助信号处理提供相互相干激光线的集成源。我们报道了在单片硅衬底上结合了磷化铟/硅(InP/Si)半导体激光器和超低损耗氮化硅(Si3N4)微谐振器的非均匀集成激光孤子微梳。通过使用互补的金属-氧化物-半导体兼容技术，可以从一个晶圆中生产出数千个器件。通过对激光-微谐振器的相对光学相位进行片上电气控制，这些器件可以输出100千兆赫重复频率的单孤子微梳。此外，我们观察到由于InP/Si激光器对氮化硅微谐振腔的自注入锁定，使得激光频率噪声降低。我们的方法为下一代高容量收发器、数据中心、空间和移动平台提供了一个大容量、低成本的窄线宽、基于芯片的频率梳。
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器件的工作原理，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。
图1：设备器件、原理图和工作原理
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 / 硅 / 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2：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3：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）
图4：激光频率噪声谱和自注入锁定梳子的产生
这项研究为下一代大容量收发器、数据中心、空间和移动平台的窄线宽、基于芯片的频率梳的大批量、低成本制造提供了一条途径。
文章信息与来源
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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