Nature | 3D光子集成：超低噪声，免隔离器的激光器
撰稿：向超（加州大学圣芭芭拉分校博士，现任香港大学助理教授）
本文由论文作者团队（课题组）投稿
集成硅光芯片
集成硅光芯片由于其集成度高且低成本，可以在多个场合替代传统的分离光学元件，目前被广泛应用于高速通信和数据中心互联。此类硅光芯片可以充分利用CMOS工艺的成熟生产线实现复杂功能和批量生产,并具备高稳定性与可靠性。
对于硅光芯片，与传统硅基集成电路不同的地方在于，由于其本身的光学性质限制，硅材料本身并不能满足全部非光学功能需求。例如氮化硅在通信光谱内的低传输损耗，铌酸锂的高速调制能力，三五族提供的有效光子增益，都能有效弥补纯硅材料的功能缺陷。因此,类似于传统集成电路为了突破后摩尔定律时代器件在平面内集成的限制，寻求立体集成电路将不同的材料异质集成在同一硅衬底上目标使得3D集成方案成为实现先进硅光子集成电路的有效途径。
尽管各种硅光子代工厂正在快速开发硅光芯片的能力，将多种光子元器件，例如波导、调制器、光电探测器、波分复用器，甚至近期能将激光光源集成在同一硅衬底上，形成多功能硅光芯片。但是硅基片上激光器的性能尚未达到例如微波振荡器、光纤陀螺仪、原子钟和精密传感等许多应用对激光噪声和整体系统稳定性的严格要求。
为了拓展硅光芯片的功能性并用于上述广泛应用，硅基片上激光器必须抑制放大自发发射(ASE)噪声,从而实现超窄激射线宽。同时,半导体激光器需要与光学系统的其余部分隔离,因为激光源对下游光学组件的背向反射敏感。因此, 实现高性能的硅光芯片集成激光器，并实现大规模的器件集成有两个难点尚待解决:半导体激光器的高相位噪声,以及将激光器与下游光学器件隔离。
虽然现在人们普遍认识到，无论集成架构如何，都需要三五族材料的光学增益为硅光芯片提供高效的半导体激光器和放大器，但是将行业标准下用于隔离器制备的磁性材料引入CMOS晶圆厂仍然面临很大的阻碍。
超低损波导和激光器的3D光子集成
该团队设计的3D硅光芯片原理图及实物图如图1所示，有效地将异质硅光芯片分成具有不同光学功能的分层结构。设计的器件由四个主要功能层组成，包括三五族增益层、硅光路层、氮化硅再分布光路层和氮化硅超低损耗光路层。其中，硅层和超低损氮化硅层的间距约为5微米，使得超低损氮化硅层和后续的硅和三五族工艺步骤有效隔离，从而保留超低损氮化硅层的性能。然后，在硅层和超低损氮化硅层之间引入氮化硅再分布光路层，用于控制顶部有源层和底部无源层之间的耦合和去耦。必要时，氮化硅再分布光路层可以提供高效的有源-无源层过渡，当氮化硅再分布光路层不提供模式耦合时,有源层和无源层独立运行。因此，整个3D结构概括为从高性能三五族/硅分布式反馈（DFB）激光器与超高Q微环形谐振腔的组合。
图1：3D光子集成概念图(左上)以及已制造的3D光子集成电路芯片实物图(左下)，该芯片完全根据CMOS兼容工艺在100 mm晶圆上取出。右图以纯色展示了3D集成光路的横截面，且以透明色展示预计未来的工作将实现额外的功能
图源：Nature 620, 78–85 (2023)
这种3D光子集成的概念同时可以实现垂直去耦合，提高波导交叉效率。因此，与传统的激光异质集成硅光芯片的平面内布局相比，这种3D架构可以利用垂直空间来突破硅光芯片上器件密度的限制。必须指出的是，这种3D集成可以实现多个重叠但去耦的光子功能层，这是之前的异质集成做法没有实现的目标。从3D硅光芯片的横截面图中可以看出其与代工厂可用的硅光子元件（包括硅调制器和锗/硅光电探测器）的潜在兼容性。此外，此类硅光芯片可以进一步与电子集成电路（EIC）异质集成，以实现高密度3D光电子集成电路。
片上自注入超低噪声激光器
该课题组利用磷化铟/硅DFB激光器的自注入锁定与热光可调SiN超高Q环形谐振腔，在3D硅光芯片上实现超低噪声激光器。其工作原理基于激光器的自注入锁定，要求激光和环谐振波长在频域匹配，以及前向和反向信号在时域相位匹配，其原理图如图2所示。
图2：激光自注入锁定示意图
为了将器件设置到适当的工作条件，磷化铟/硅DFB激光器的波长通过施加的增益电流进行调谐；SiN超高Q环形谐振腔由加热器调谐，前向/后向相位由放置在硅波导上的热相位调制器调谐。一旦实现波长匹配和相位匹配，自由运行的激光器就会通过瑞利背向散射锁定到超高Q环形谐振腔，从而产生多种谐振器定义的激光特性。由于激光器和环形谐振器之间存在片上相位调谐器，可以清晰地揭示相位相关的锁定动力学。激光器的相位噪声测量结果如图3所示。
图源：Nature 620, 78–85 (2023)
高Q值微腔实现低反馈灵敏度和免隔离器工作
除了频率噪声之外，与超高Q腔的集成还大大降低了反馈灵敏度。许多课题组都在追求这一目标，但由于超高Q腔与激光器集成的困难，反馈容差受到限制，因此仍然需要隔离器在强反馈状态下工作 (>-10 dB)。而该团队的工作，由于所获得的超高Q器件能够有效解耦腔内场和反射场，因此锁定DFB激光器获得了显著的反馈容差。在当前具有分插环形谐振器的自注入锁定置中，免隔离器的激光输出可以从直通端口和分出端口获得，如图4所示。
图4：激光器在自由运行和自注入锁定状态下的反馈影响
宽带可调外差微波信号输出
实现晶圆级集成超低噪声激光器为无法集成的光子器件提供了可能性。例如，微波频率信号源便可以通过光电探测器上两个低噪声激光器的差频拍频产生。如果能够保证激光频率外差落在微波范围内，通过调节拍频激光器的频率差便可以轻松调节生成的频率。实验测量的宽带可调谐微波信号如图5所示。
图5：基于两个自注入锁定激光器的宽带可调外差微波信号生成
图源：Nature 620, 78–85 (2023)
总结
目前，氮化硅光子再分布层和氮化硅超低损层之间的垂直过渡的绝热锥度足够长，以便两个氮化硅层之间完成模式转移。事实上，可以探索波导和超高Q谐振器的新颖耦合策略，以进一步减少芯片器件尺寸，包括直接波导-谐振器直接渐逝耦合。此外，3D集成可以打破不同波导平台之间器件占用空间的不匹配，并利用垂直空间来提高器件的可扩展性。例如，如果与紧凑的高密度面内硅电路集成，具有大弯曲半径的超低损波导通常会占据较大的器件占地面积。而通过3D集成，超低损波导便不会浪费掩膜版空间，而节省的空间对于提高三五族和硅电路复杂性和可扩展性至关重要。
该团队的工作推动了利用3D集成技术实现高密度、高性能硅光芯片的进展，实现了超低噪声、免隔离器的半导体激光器，并提供了集成光子学的新构建模块方案。此外，3D异质集成与电子器件可以有效结合光芯片与电芯片的开发，以实现3D电-光芯片生态系统，为全新类型的硅基芯片提供了可能性。
Xiang, C., Jin, W., Terra, O. et al. 3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics. Nature 620, 78–85 (2023).
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