半导体激光器，​最新Nature！

         

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原创丨 彤心未泯 （学研汇 技术中心）

编辑丨 风云

光子集成电路广泛应用于电信和数据中心互连等领域。然而，在微波合成器、光学陀螺仪和原子钟等光学系统中，尽管光子集成电路在尺寸、重量、功耗和成本方面具有优势，但仍然被认为是较差的解决方案。这种高精度和高相干应用有利于超低噪声激光源以紧凑且稳定对齐的形式（即在单个芯片上）与其他光子元件集成，以便光子集成电路取代体光学器件和光纤。有两个主要问题阻碍了这种设想的光子集成电路的实现：半导体激光器的高相位噪声以及直接在芯片上集成光隔离器的困难。

有鉴于此， 加州大学圣巴巴拉分校Chao Xiang 等人通过利用三维集成来挑战这一惯例，从而 产生具有硅光子学无隔离器操作的超低噪声激光器 。通过多个单片和异构处理序列，演示了III-V增益介质和超低损耗氮化硅波导的直接片上集成，光损耗约为每米0.5分贝。因此，由于超高品质因数腔，所演示的 光子集成电路进入了一种无需光学隔离器即可产生超低噪声激光器和微波合成器的状态 。这种光子集成电路还为复杂功能和批量生产提供了卓越的可扩展性，并随着时间的推移提高了稳定性和可靠性。因此，超低损耗光子集成电路上的三维集成标志着向硅上复杂系统和网络迈出了关键一步。

激光器和超低损耗PIC的3D集成

作者开发了一种集成架构和工艺流程，以将基于 III-V 族的激光器与超低损耗 (ULL) 波导无缝集成。将单片和异构3D集成结合起来，充分释放实现复杂和高性能光子器件和集成电路的潜力。有效地将3D Si PIC分成具有各自光子功能的层，3D PIC利用跨多层的瞬逝耦合，并使用波导几何设计来实现否则禁止的层间过渡。

图  3D集成Si PIC芯片

单芯片自注入锁定激光器

利用InP/Si DFB激光器的自注入锁定与热可调谐SiN超高Q谐振器，在 3D Si PIC上实现超低噪声激光器。作者研究了自注入锁定(SIL)激光器的动力学和性能，清楚地揭示了相位相关的锁定动力学。当前的设备在同一芯片上集成了激光器，ULL约为0.5   dB   m _{− 1} ，显示出单芯片设备中最低的激光频率噪声，在10kHz时约为250   Hz ²   Hz ^{− 1} 和2.3   Hz ²   Hz ^{− 1} 。

图  激光自注入锁定和相位噪声

空腔介导的反馈灵敏度

除了频率噪声之外，与超高Q腔的集成还显着降低了反馈灵敏度。反馈不灵敏度的改进相当于光学隔离器可以提供的有效隔离，以保持激光相干性，从而实现无隔离器、片上激光器与引入强反射的下游器件的集成。

图  SIL 激光器的反馈不敏感

可调谐微波频率产生

为了验证激光器用于外差微波合成的可行性，进行了可调谐微波合成实验，尽管微波信号强度受到快速PD的响应度和当前片外表征中的耦合损耗的影响，但可以通过直接使用与3D PIC完全兼容的片上III-V放大器以及波导和分路器来提高微波信号强度。微波信号频率调谐范围为0至50 GHz，间隔为1 GHz。频率调谐是连续的，由环形谐振器上的热相位调谐器控制决定。使用更高带宽的 PD可以进一步扩展生成的频率调谐范围。

图  广泛可调的微波信号生成

参考文献：

Xiang, C., Jin, W., Terra, O. et al. 3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics. Nature 620, 78–85 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-06251-w

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w

同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM

原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

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