全球首次实现单芯片光子IC

美国研究人员首次将超低噪声激光器（ultralow-noise lasers）和光子波导（photonic waveguides）集成到单个芯片上。这一期待已久的成就可以使在单个集成设备中使用原子钟和其他量子技术进行高精度实验成为可能，从而消除在某些应用中对房间大小的光学平台的需求。

当电子学还处于起步阶段时，研究人员将二极管、晶体管等作为独立设备进行研究。该技术的真正潜力直到 1959 年之后才得以实现，当时集成电路的发明使得将所有这些组件封装到一个芯片上成为可能。光子学研究人员希望实现类似的集成壮举，但他们面临一个障碍：“对于光子链路，我们需要使用光源（通常是激光器）作为发射器，将信号发送到下游光链路，例如光纤或波导，” 在加州大学圣巴巴拉分校的John Bowers团队的博士后Chao Xian解释道。“但是当你发出光时，它通常会产生一些背向反射：它会回到激光器中并使其变得非常不稳定。”

为了避免这种反射，研究人员通常会插入隔离器（isolators）。这些允许光仅沿一个方向通过，打破了光传播的自然双向互易性。困难在于，行业标准隔离器使用磁场来实现这一点，这给芯片制造设施带来了问题。“CMOS 晶圆厂对洁净室中的物品有非常严格的要求，”现就职于香港大学的Xiang解释道。“磁性材料通常是不允许的。”

集成但独立

由于波导退火（annealing waveguides）所需的高温可能会损坏其他元件，Xiang、Bowers 及其同事开始在硅衬底上制造超低损耗氮化硅波导。然后，他们用几层硅基材料覆盖波导，并在堆叠的顶部安装低噪声磷酸铟激光器。如果他们将激光器和波导安装在一起，制造激光器时涉及的蚀刻就会损坏波导，但在顶部粘合后续层可以避免这个问题。

将激光器和波导分开还意味着这两个设备相互作用的唯一方式是通过中间氮化硅“重新分布层”通过它们的渐逝场（电磁场的分量不传播而是以指数方式衰减远离来源）。因此，它们之间的距离最大限度地减少了不必要的干扰。“顶部激光器和底部超低损耗波导距离很远，”Xiang 说，“因此它们都可以单独发挥最佳性能。氮化硅重新分布层的控制使它们能够精确地耦合到您想要的位置。没有它，他们就不会结合到一起。”

结合最好的有源和无源器件

研究人员表明，这种激光装置对噪声的鲁棒性达到了标准实验中预期的水平。他们还通过调整两个此类激光器之间的拍频来生产可调谐微波频率发生器，从而证明了其设备的实用性——这在集成电路上以前是不实用的。

鉴于超低噪声激光器在现代技术中的广泛应用，该团队表示，能够在集成硅光子学中使用此类激光器是一个巨大的飞跃。“最后，在同一个芯片上，我们可以将最好的有源器件和最好的无源器件结合在一起，”Xiang 说。“下一步，我们将使用这些超低噪声激光器来实现非常复杂的光学功能，例如精密计量和传感。”

美国科罗拉多大学博尔德分校的光学物理学家斯科特·迪达姆斯（Scott Diddams）并未参与这项研究，他对此印象深刻：“带有光学隔离器的集成激光器的问题至少在十年来一直是产业关注的重点，而且没有人们已经知道如何解决在芯片上制造真正低噪声激光器的问题……所以这是一个真正的突破，”他说。“像约翰·鲍尔斯这样的人已经在这个领域工作了 20 年，所以他们知道基本的构建模块，但弄清楚如何让它们完美地协同工作并不只是像将各个部件用螺栓固定在一起一样。”

Diddams 补充道，新的集成设备可能在量子计算领域“非常有影响力”。“严肃的公司正在尝试构建涉及原子和离子的平台——这些原子和离子以非常特定的颜色运行，我们用激光与它们对话，”他解释道。“如果没有像这样的集成光子学，人们就不可能大规模建造一台功能齐全的量子计算机。”

审核编辑：刘清