▲第一作者：Chao Xiang、Warren Jin、Osama Terra、Bozhang Dong
通讯作者：Chao Xiang、John E. Bowers
通讯单位：美国加州大学圣巴巴拉分校、香港大学
论文doi：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w
01
背景介绍
光子集成电路在通信和数据中心互连等应用中有着广泛的应用。然而，在微波合成器、光学陀螺仪和原子钟等光学系统中，光子集成电路虽然在尺寸、重量、功耗和成本等方面具有优势，但仍然被认为是劣质的解决方案。这种高精度和高相干性的应用有利于超低噪声激光源与其他光子元件集成在一个紧凑的、牢固对齐的格式- -即在单芯片上- -用于光子集成电路，以取代体光学和光纤。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和在芯片上直接集成光隔离器的困难。
02
本文亮点
1.本工作通过利用三维集成来挑战这一传统，为硅光子学提供了无隔离器操作的超低噪声激光器。
2.通过多个单片和异构的加工顺序，实现了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0.5 分贝/米。因此，由于具有超高品质因数的腔，所展示的光子集成电路进入了一个无需光隔离器的超低噪声激光器和微波合成器的领域。
3.这种光子集成电路还为复杂的功能和批量生产提供了优越的可扩展性，以及随着时间的推移而提高的稳定性和可靠性。因此，在超低损耗光子集成电路上的三维集成是在硅上实现复杂系统和网络的关键一步。
03
图文解析
▲图1. 3D集成Si PIC芯片
要点：
1、本工作将一个三维Si PIC有效地分离成具有各自光子功能的层，如图1a所示。所设计的器件由4个主要功能层组成，包括III-V增益层、Si PIC层、Si N再分布层(RDL)和Si N ULL层。Si和ULL SiN层的分离约为4.8 μm，这样ULL SiN层可以有效地与后续的Si和磷化铟(InP)加工步骤隔离，从而保留ULL SiN的性能。这样的设计需要跨越多个功能层的层间转换。
2、与依赖层间金属通孔进行互连的EIC不同，3D PICs利用多层之间的倏逝耦合，并使用波导几何设计来实现本来被禁止的层间跃迁。更具体地说，本工作在Si和ULL SiN层之间引入了一个光子RDL，用于控制顶部有源层和底部ULL无源层之间的耦合。
3、3D PICs的截面也显示在图1a中，显示了其与铸造可用的Si光子元件的兼容性，包括Si调制器和Si/锗(G)PDs。此外，此类PICs可以进一步与EICs异质集成，获得高密度的3D E-PICs。在本工作的3D光子集成结构中，厚的氧化物隔离对后端损耗源形成了有效的屏障，使得超高Q谐振腔(在激光波长处,本征Q≈5千万)与高性能的III-V/Si分布反馈(DFB)激光器完全集成(图1b)。
4、必须指出的是，3D集成可以产生多个重叠但解耦的光子功能层- -这是先前展示的异构集成所不可能实现的目标。这种解耦现在由大的垂直模态分离实现，由Si N RDL桥接。所制备器件的多层结构和InP外延片堆栈如图1c所示。
▲图2. 激光自注入锁定和相位噪声
要点：
1、本工作利用InP/Si DFB激光器的自注入锁定，在3D Si PIC上实现了热调谐SiN超高Q谐振腔，用于超低噪声激光器。这种器件的工作原理如图2a所示，它要求激光器和环形谐振腔的波长在频域上匹配，以及前向和后向信号在时域上相位匹配。
2、为了使器件工作在合适的条件下，InP/Si激光器的波长由施加的增益电流调节，SiN环谐振由热加热器调节，前向和后向相位由放置在Si波导上的热相位调谐器调节。当同时满足波长匹配和相位匹配条件时，自由振荡的激光由于瑞利后向散射锁定在超高Q谐振腔上，从而产生多个谐振腔定义的激光特性。
3、本工作利用图2b所示的测量装置研究了自注入锁定(SIL)激光器的动力学和性能。由于在激光器和环形谐振器之间的片上相位调谐器的可用性，本工作可以清楚地揭示依赖于相位的锁定动力学。在以往的对接耦合SIL实验中，调节芯片到芯片的相位也会改变耦合损耗，即输出功率。由于InP/Si激光器和Si N谐振腔异质集成在一起，并且相位在芯片上进行热调谐，因此在本工作的实验中对其进行解耦。
4、图2c显示了激光相干性对引起相移的相位调谐功率的依赖关系。预置激光波长以匹配其中一个环形谐振。当激光到谐振腔的相位被几个单向π周期调谐时，本工作可以观察到激光相干性的周期性依赖。在每个周期内，激光器依次经历低相位噪声锁定、混沌相干崩塌和高相位噪声自由运转区。当相位调谐器上的电流被扫过一个完整的周期时，从示波器上记录的时域功率轨迹中也观察到了这些区域。
▲图3. SIL激光器的反馈不灵敏性
要点：
1、在目前采用上下环形谐振腔的SIL结构中，激光输出可以从直通端口和下拉端口同时获得(图3a)。环形谐振器本身充当前向输出和后向反射的强度滤波器。这就产生了通过改变环形谐振器的加载因子来控制反馈灵敏度的另一个自由度。
2、利用图3b所示的实验装置对反馈的依赖性进行了表征。对于反馈敏感激光器，下游反馈导致了激光相干性的变化。根据反馈强度的不同，激光器可以工作在几个不同的区域。稳定的工作要求激光器保持在激光相干性保持的I区。随着反馈水平的增加，激光跃迁到II区，其中线宽由反馈相位控制。
3、区域I和区域II交界处的临界反馈水平(fr1)表示激光器维持稳定运行所能容忍的最高反馈水平。当激光进入Ⅳ区后，激光相干性崩塌。本工作的激光器没有进入III区，在III区中，由于外部光反馈可以发生显著的频率稳定，而不管反馈相位如何。一般而言，Ⅲ区太窄，在大多数半导体激光器中无法观测到。
4、本工作计算了临界反馈水平随加载谐振腔Q的变化(图3c)。在不同的瑞利后向散射强度(R)下，激光器对下游反射的容忍度不同。一般而言，大的高Q值反馈有利于获得高的下游反射容限。当谐振器提供的相位响应不能补偿谐振器外更大的反射功率时，这种效应在一定的加载Q下饱和。
▲图4. 宽调谐微波信号产生
要点：
1、在晶圆尺度上集成超低噪声激光器的能力为实现不切实际的光子器件集成开辟了可能性。例如，在微波范围内激光频率偏移的PD上外差拍频两路低噪声激光可以产生微波频率信号。通过调节激光频率可以很容易地调节产生的频率。该示意图如图4a所示。
2、在这种外差拍频方案中，产生的微波信号相位噪声是外差拍频激光器相位噪声的总和。从历史上看，强的半导体激光噪声阻碍了使用该方案的低噪声微波频率合成。本工作展示的超低噪声激光器提供了一种在PIC上直接在快速PD上进行外差微波频率合成的途径，而无需额外的片外线宽压窄。
3、反馈不灵敏的优点在直接片上微波合成中也是至关重要的，因为几个组件，包括3-dB耦合器和光电二极管，需要跟随激光器，并且是潜在的片上反射强源。为了验证本工作的激光器用于外差微波合成的可行性，本工作进行了如图4b所示的可调谐微波合成实验。微波信号强度虽然受到快速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本工作的3D PIC完全兼容的片上III-V放大器和波导和分束器来改善。
4、此外，实验中没有使用隔离器，这表明当耦合器和PD集成在同一3D Si PIC上时，反馈不灵敏性可以大大简化系统架构，并允许完全片上集成的微波合成器。利用相同的集成平台可以对微波发生样机进行优化。例如，将激光器锁定在同一个谐振腔，可以利用共同的噪声抑制来降低几个数量级的相位噪声。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06251-w
04
作者介绍
向超博士，香港大学电机电子工程系助理教授。2012年本科毕业于华中科技大学，2014年硕士毕业于香港中文大学。随后，他在UCSB（加州大学圣塔芭芭拉分校）John Bowers教授课题组取得博士学位并担任博士后研究员。他主要从事硅基异质集成，半导体激光器，硅基光电子器件等方向的研究，主导研发了多项国际上首创的新型、高性能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”，等等。以第一作者身份于Science、Nature、Nature Communications、Optica 等杂志发表多篇论文并撰写了多篇领域综述。
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