中国学者实现光子芯片里程碑目标：在单个硅光芯片上集成激光与光频梳先进工艺

在数据中心互联领域，Intel 作为唯一掌握异质集成硅光子技术的行业巨头，占据了光收发器市场的大量份额。其已经出货 600 万件基于异质集成的产品，并保持快速增长的态势。

同时，为了服务高性能计算和人工智能运算产生的巨大数据量，光电协同封装技术方兴未艾。而基于异质集成技术的光电子芯片，由于能够直接在硅光片上集成三五族激光器从而满足信道容量的要求，已成为业界瞩目的、在光电协同封装中具备重要前景的组成部分。

越来越多的行业巨头开始涉足这一领域，Meta、微软等互联网巨头以及思科等网络解决方案提供商都在提前布局。与此同时，在该领域已经出现了多家初创公司。

香港大学电机与电子工程系助理教授向超以异质光子集成、硅光子学、半导体激光器和光子集成电路为研究方向，并主导研发了一系列硅基异质集成光电子器件，主要包括氮化硅上单片集成激光器、硅基激光光孤子频率梳生成器、硅基窄线宽激光器等。

他本科阶段在华中科技大学光电学院学习，积累了光电子领域研究的知识基础。在香港中文大学信息工程系取得硕士学位后，赴加州大学圣塔芭芭拉分校读博，师从国际硅基光电子学的奠基人之一约翰·鲍尔斯（John Bowers）教授，并在其课题组完成博士后研究。

凭借在国际上首次实现全新的集成光电子器件，攻克集成光子芯片领域近 10 年来的一项里程碑目标，将半导体激光器和非线性光频梳在同一芯片上实现完全的集成和功能化，为低成本、大规模制造激光-孤子光频梳铺平了道路，向超成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 中国入选者之一。

在国际上首次实现全新的集成光电子器件

传统的光学系统基于分离的光学器件，依靠自由空间光路或光纤连接完成系统性功能。而集成光电子学的发展，使光电器件走向芯片化、小型化，并在诸多方面展现出优势，例如可重复性、能耗、可靠性、价格等。

集成光电子学在光通信、数据中心光互联等应用场景中扮演着重要角色，并延伸到“后摩尔时代”的芯片间互连、高精度传感、低噪声微波、量子计算等一系列前沿领域。

在众多应用中，集成光电子学芯片往往依赖于某种特定的材料体系，从而限制了在单一芯片所能实现的光学功能。这些功能主要包括激光光源生成、光信号调制与探测、低损耗高 Q 值谐振等。同时，受限于不同材料体系的生长不兼容性，在单一芯片维度上进一步提高光电子器件的性能变得十分困难。

向超在博士和博士后期间，主要致力于研发多层异质集成技术。他与合作者采用多层异质集成技术，成功实现了一种新的集成光电子器件，在一个 4 英寸的硅基衬底上，采用互补金属氧化物半导体兼容的半导体工艺，实现了半导体激光器和非线性光频梳的单片全集成和功能化[1]。

向超表示，该技术代表了迄今片上集成低噪声激光器的最优越性能。其直接结果在于采用多层键合，首次为超低损耗氮化硅平台提供了高性能三五族激光光源。

相关研究以《硅上异质集成的激光-光孤子微梳》（Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon）为题发表在 Science。

图丨Science 杂志当期 THIS WEEK IN SCIENCE 专栏重点介绍该项“芯片频率梳”工作（来源：Science）

此前，氮化硅作为性能极佳的超低损耗集成光子学平台，虽然提供了微腔孤子光频梳等在测量、通信、传感领域具有极佳应用前景的技术，却无法单片集成激光器、放大器、探测器，导致应用场景受到限制，而多层异质集成技术突破了这种局限。

另一方面，作为传统三五族半导体激光器最大受限性能因素之一的激光器噪声，也在集成超低损耗氮化硅波导谐振腔之后，在相关性能指标上接近并超越昂贵的光纤激光器。

图丨整个工艺流程在一片 4 寸硅基晶圆上完成（来源：Science）

该技术还被应用于制造首个单片集成的激光-微腔孤子光频梳生成器，避免了昂贵的高功率激光器、放大器、光学对准封装。向超表示：“该技术为低成本、大规模制造激光光孤子光频梳铺平了道路，有利于其在数据中心光互联、微波光子学等领域发挥实际意义的作用。”

总之，多层异质集成技术着眼于突破材料体系的限制，未来将被应用于更多材料体系，以期构建复杂、多功能、高度集成化、高性能的集成光电子芯片，为众多应用提供新的平台。

研制出世界上首个和氮化硅波导异质单片集成的半导体激光器

一项研究的突破，和研究者此前的技术积累和经验储备密不可分。

如何在氮化硅平台实现激光器？这是向超首个负责的科研课题。正是这个课题的完成，为前文提及的“在单个硅光器件集成激光与光频梳”研究奠定了坚实的基础。 

该研究的主要突破在于，首次实现了不需要光学封装、单片集成的氮化硅上激光器，并展现出在线宽、温度稳定性相比较传统半导体激光器的优势[2]。

此前，由于材料方面的限制，虽然可以实现集成光子学器件并实现超低损耗非线性等功能，但是氮化硅材料本身却不能发光。在氮化硅上，向超尝试采用最可行的途径之一——晶圆键合和三五族材料异质集成的方法。但由于材料折射率不匹配、集成不同的材料的工艺问题也随之而来。

“为解决该问题，我们提出用多层异质集成的方法。但实际上最初很多人都不太看好该方法，因为工艺流程的难度非常大，采用多种材料集成到单片后，它们相互的工艺兼容性方面存在巨大的挑战。”他说。

为实现第一个激光器从 0 到 1 的工作，他用了整整两年时间。紧接着，仅半年时间，便获得了性能很好的激光器。“这项研究相当于打开了该方向的一扇大门，实现第一个激光器后，我就意识到，之后会解锁一系列此前无法实现的器件。”向超表示。

图丨显示磷化铟/硅/氮化硅分布式布拉格反射器激光器阵列的器件光学照片（来源：Nature Communications ）

氮化硅上单片集成激光器由于采用比较低成本的晶圆半导体工艺，在工艺的制作流程中可以高良率、大规模地制备，避免了昂贵光学封装的不稳定性。

该研究在许多领域的应用具备实际意义，例如高精度传感、量子信息、微波光子学等。向超认为，该研究可推动这些技术以低价的方式，从实验室的研究走向大规模的应用场景。

谈及取得系列创新成果的“秘笈”，向超表示：“攻克棘手的技术难题难免要经历长时间的失败与坚持，首先需要有‘坐冷板凳’的心态，然后再将研究成果作为对当初的勇敢与坚持的一种奖励。”

创新的前提条件是了解和判断什么是“旧”和“新”。他表示：“在知晓‘旧’的过程中，才能真正体会‘新’的意义。对我而言，创新是一切科研工作的最大驱动力、指路明灯。”

勇闯科研的“无人区”

基于学术氛围、自由度和兴趣驱动，在结束博士后研究工作中后，向超选择加入香港大学任教并成立独立课题组。

实际上，向超对领域的产业发展一直“耳濡目染”。他的导师鲍尔斯教授直接参与了 Intel 早期异质集成技术的研发，成功孵化了一家异质集成光电芯片公司 Openlight（前身为 Aurrion，现为 Juniper 和 Synopsys 共署旗下公司），现在同时还在领导另外两家专研异质集成技术的硅光子公司。

他一直在思考技术与产业的关系，计划将技术储备到一定阶段后，将新兴的细分领域推向产业化发展，并对硅光子芯片在“后摩尔时代”的芯片互联，以及在生物健康方面的应用高度关注。

“下一代异质集成技术，会在传感、微波等领域产生巨大的实用价值，有望使传统需要贵重实验室仪器才能实现的光学应用，以集成芯片化的方式低能耗、低价格、大规模地实现。我期待在不久的将来能够孵化多层异质集成技术，将相关的成果产业化，追赶世界领先的光电集成芯片技术，创造这项技术的实用价值。”他说。

不止于部分器件的集成化，向超希望最终实现整个光学系统的光学功能，最终完成芯片化和集成化。他期待早日看到光子集成技术成为电芯片间互联的优秀解决方案，也就是 Optical I/O 技术。“这是我最希望看到的技术落地，因为这代表着光子技术将它的巨大潜力用在了解决电芯片在功耗、带宽等瓶颈问题上，是真正能够具有颠覆意义的技术。”

向超的导师鲍尔斯教授曾说过一句话让他记忆犹新，衡量一个博士生是否优秀的标准之一，是在他毕业时，是否能够对其毕业论文的课题比世界上任何人了解的都多。

“在我成为博士生导师后，也鼓励我的学生们勇闯科研的‘无人区’去做有特色、有深度的研究，拥有自己的代表作，而不是做跟随式的研究。”他说。

审核编辑 ：李倩