集成光频梳的可扩展制造

光学频率梳，简称光频梳，指的是由等距离的激光线组成的光频。光频梳的出现彻底改变了频率计量学、计时和光谱学领域。在过去的十年中，EPFL的Tobias Kippenberg教授实验室发现的 “孤子微梳 ”使频率梳能够在芯片上产生。在该方案中，单频激光被转换为称为耗散克尔孤子的超短脉冲。

显示数百个半导体激光器和氮化硅微谐振器的照片

孤子微梳是芯片规模的频率梳，结构紧凑，功耗低，并表现出宽广的带宽。结合“梳齿”的大间距，孤子微梳独特地适用于各种应用，如数据中心中的太比特/秒相干通信、用于系外行星搜索和神经形态计算的天文光谱仪校准、光学原子钟、绝对频率合成和平行相干激光雷达。

然而，一个突出的挑战是激光源的整合。虽然孤子微梳是通过参数频率转换在芯片上产生的（一个频率的两个光子被湮灭，一对两个新的光子以更高和更低的频率产生），但泵浦激光器通常是在芯片外，而且很笨重。将孤子微梳和激光器集成在同一芯片上，可以利用为硅光子学开发的成熟的CMOS技术，实现孤子微梳的大批量生产，然而这在过去十年中一直是一个突出的挑战。

对于形成孤子微梳的非线性光学微谐振器，氮化硅（Si3N4）由于其超低损耗、从可见光到中红外的宽透明窗口、无双光子吸收和高功率处理能力而成为重要的媒介。但是，实现超低损耗的Si3N4微谐振器对于大批量生产芯片级孤子微梳来说仍然是不够的，因为需要与芯片级驱动激光器共同集成。

15年前，UCSB的John Bowers教授的实验室开创了一种将半导体激光器集成到硅片上的方法。由于硅具有间接带隙，不能发光，科学家们在硅片上粘合磷化铟半导体，形成激光增益部分。这种异质集成激光技术现在已被广泛用于光互连，以取代连接数据中心服务器的铜线。这种变革性的激光技术已经实现了商业化，英特尔公司每年运送数百万的收发器产品。

在《科学》杂志上发表的一篇文章中，EPFL和UCSB的两个实验室现在首次通过晶圆级CMOS技术展示了超低损耗Si3N4光子集成电路（在EPFL制造）和半导体激光器（在UCSB制造）的异质集成。

该方法主要是基于硅和磷化铟在Si3N4衬底上的多晶圆键合。在硅和磷化铟层上制造分布式反馈（DFB）激光器，然后将DFB激光器的单频输出输送到下面的Si3N4微谐振器上，在那里DFB激光器播种了孤子微梳的形成并创造了几十个新的频率线。

这种晶圆规模的异质工艺可以从一个直径为100毫米的晶圆上生产出一千多个芯片规模的孤子微梳装置，适合商业级别的制造。每个装置都是完全由电控的。重要的是，生产水平可以进一步扩大到行业标准的200或300毫米直径的基片。

EPFL微纳技术中心（CMi）领导Si3N4制造的刘俊秋（音译）博士表示：“我们的异质制造技术结合了三种主流的集成光子学平台，即硅、磷化铟和Si3N4，可以为大批量、低成本制造基于芯片的频率梳铺平道路，用于下一代高容量收发器、数据中心、传感和计量学。”获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com