01 研究背景

　　硅由于其間接帶隙缺乏高效率的光源，需要依賴(lài)Ⅲ-Ⅴ族增益材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電泵浦高效率、穩(wěn)定工作的激光光源。在同一硅襯底上使用集成激光器避免了外接大體積的激光器，不僅提升了硅基光子芯片的便攜性，而且有助于在同一芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高級(jí)功能。

　　由于異質(zhì)集成激光器展現(xiàn)出的成本和性能優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在窄線(xiàn)寬激光器、可調(diào)諧激光器、梳狀激光器等領(lǐng)域都得到了快速發(fā)展，并在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、傳感、微波生成等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。

　　02 集成激光器的類(lèi)型

　　目前已經(jīng)有多種方案實(shí)現(xiàn)集成激光器：基于對(duì)接耦合的混合集成方案，根據(jù)半導(dǎo)體增益芯片和無(wú)源芯片組裝的形式又可以分為芯片間水平對(duì)接和倒裝鍵合;基于晶圓級(jí)鍵合的異質(zhì)集成方案，根據(jù)鍵合形式可以分為金屬鍵合、BCB鍵合和借助分子間作用力的直接鍵合;基于外延生長(zhǎng)的單片集成方案，根據(jù)有源區(qū)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)可以分為以多量子阱(MQW)為有源區(qū)域和以量子點(diǎn)(QD)為有源區(qū)域的單片集成激光器;以及微轉(zhuǎn)印方案。圖1展示了硅基光子集成電路不同集成激光器方法的工藝流程對(duì)比示意圖。各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

　　圖1 硅基光子集成電路不同集成激光器方法的工藝流程對(duì)比示意圖

　　表1常見(jiàn)集成激光器技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

　　03 異質(zhì)集成激光器的發(fā)展

　　3.1 異質(zhì)集成窄線(xiàn)寬激光器

　　窄線(xiàn)寬激光器在相干通信、光學(xué)陀螺儀、原子時(shí)鐘、微波生成、傳感等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，激光器的線(xiàn)寬會(huì)直接影響這些精密系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。硅基集成光子電路憑借著成本、功耗、緊湊性、便攜性和可拓展性的優(yōu)勢(shì)，且借助異質(zhì)集成技術(shù)為光子集成電路提供優(yōu)異的高相干性光源，有望在某些領(lǐng)域取代分立式光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高相干性的光學(xué)應(yīng)用。

　　異質(zhì)集成技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)異性能的窄線(xiàn)寬激光器：通過(guò)晶圓級(jí)鍵合并借助步進(jìn)式光刻機(jī)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和重復(fù)曝光，實(shí)現(xiàn)倏逝波絕熱耦合提高了激光增益芯片和無(wú)源外腔芯片的耦合效率和魯棒性，可以替代混合集成或分立式系統(tǒng)的緩慢和高損耗的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn);通過(guò)倏逝波耦合方案將激光器腔體從Ⅲ-Ⅴ族增益區(qū)域拓展至Si或SiN等材料的腔面，防止Ⅲ-Ⅴ族單片激光器解理面的退化;借助基于超低損耗SiN波導(dǎo)外腔和超高Q值微環(huán)諧振腔的自注入鎖定，降低激光器噪聲壓窄線(xiàn)寬;借助超高Q值激光器諧振腔提高下游鏈路的反饋容限，實(shí)現(xiàn)高相干性激光器的免隔離器操作。

　　圖2 3D異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)超低噪聲、免隔離器激光器

　　3.2 異質(zhì)集成可調(diào)諧激光器

　　可調(diào)諧激光器可以為通信、傳感、醫(yī)學(xué)成像、光纖測(cè)量等領(lǐng)域提升可靠性、靈活性和可拓展性。異質(zhì)集成技術(shù)為光子集成電路提供了穩(wěn)定的Ⅲ-Ⅴ族激光光源的同時(shí)，也為激光器拓展腔提供了豐富的設(shè)計(jì)方案：通過(guò)利用損耗顯著低于Ⅲ-Ⅴ族波導(dǎo)的Si波導(dǎo)外腔和更靈活的外腔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)超寬帶可調(diào)諧、窄線(xiàn)寬激光器的設(shè)計(jì)，并保持較高的輸出功率;通過(guò)CMOS工藝兼容的異質(zhì)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本、可大規(guī)模制備的可調(diào)諧激光器。

　　3.3 異質(zhì)集成梳狀激光器

　　WDM系統(tǒng)將獨(dú)立的數(shù)據(jù)流編碼到同一根光纖的不同波長(zhǎng)的信道中，以實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸來(lái)降低能耗和依賴(lài)的光纖數(shù)量。通過(guò)單個(gè)多波長(zhǎng)梳狀激光器取代多個(gè)單波長(zhǎng)激光器陣列可以降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，同時(shí)有助于提升激光器插拔效率和不同信道之間的相位相干性。目前的異質(zhì)集成梳狀激光器主要有兩種方案，分別為鎖模激光器和克爾非線(xiàn)性光學(xué)頻率梳。

　　圖3 硅基光子異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)激光孤子微梳生成

　　3.4 其他光子平臺(tái)的激光器

　　盡管SOI集成光子平臺(tái)在工藝成熟度、成本和性能方面展示出不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但受到Si帶隙的限制，波長(zhǎng)在1.1 μm以下的光在Si波導(dǎo)中會(huì)被強(qiáng)烈吸收。和Si相比SiN、LN材料有著更寬的帶隙間隔，通過(guò)Ⅲ-Ⅴ/LN或Ⅲ-Ⅴ/SiN異質(zhì)集成，可以將集成激光器工作波長(zhǎng)拓展至Si帶隙能量之外的近紅外和可見(jiàn)光波段，從而發(fā)揮更加廣闊的集成光子學(xué)應(yīng)用。

　　04 異質(zhì)集成激光器的應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)中心互聯(lián)：通過(guò)將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器與高性能硅基調(diào)制器、探測(cè)器等有源器件異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)收發(fā)機(jī)，可以有效降低整體成本和功耗、降低封裝復(fù)雜度并提升整體可擴(kuò)展性，也有助于實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)收發(fā)機(jī)提升整體互聯(lián)的傳輸速率。

　　傳感技術(shù)：Ⅲ-Ⅴ/Si異質(zhì)集成除了可以提供高功率和低噪聲的片上激光光源之外，也可以發(fā)揮其低功耗的相移特性，為用于傳感的硅基光子集成電路提供高性能有源組件。

　　微波信號(hào)生成：Ⅲ-Ⅴ/Si異質(zhì)集成可以提供具有寬譜調(diào)諧范圍和窄線(xiàn)寬的激光器，可用于生成更高帶寬和具有低相位噪聲的的微波信號(hào)。

　　光電集成：基于Ⅲ-Ⅴ/Si異質(zhì)集成的PIC可以在同一襯底上集成優(yōu)異性能的激光器與調(diào)制器、探測(cè)器等，也可以和EIC通過(guò)3D集成的方式實(shí)現(xiàn)高密度的光電集成芯片。3D集成可以巧妙地利用芯片的垂直空間，不僅可以實(shí)現(xiàn)PIC不同功能層的耦合與解耦，而且可以在PIC與EIC之間借助超短金屬進(jìn)行互聯(lián)降低寄生參數(shù)的影響，并減小封裝面積和成本。

　　圖4 基于異質(zhì)集成激光器的光電集成芯片

　　05 未來(lái)展望

　　激光器作為集成光子電路的最重要元件之一，將對(duì)集成光子電路的整體性能起決定性作用。異質(zhì)集成激光器為集成光子電路提供了低耦合損耗、高集成度、低成本的激光器解決方案，將進(jìn)一步釋放硅光子器件的潛力，突破功耗、成本和速率瓶頸。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，異質(zhì)集成激光器和SOA將廣泛存在于硅光子代工廠(chǎng)的工藝設(shè)計(jì)套件中，并在輸出功率、線(xiàn)寬、可調(diào)諧性和效率等方面具有穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

　　此外，異質(zhì)集成激光器將不僅在用于數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的收發(fā)機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而是將追隨光子集成電路的產(chǎn)業(yè)化道路，逐漸在互聯(lián)、傳感、信號(hào)處理等不同的應(yīng)用場(chǎng)景都可以實(shí)現(xiàn)激光器的異質(zhì)集成，提高系統(tǒng)的集成度和便攜性。而對(duì)于異質(zhì)集成激光器的性能優(yōu)化，在今后的研究中將提升其高溫操作的性能實(shí)現(xiàn)無(wú)需制冷操作，并提高激光器的插拔功率進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

參考文獻(xiàn)：今日材料論文

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