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Ⅲ-Ⅴ族增益材料來實現(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現(xiàn)復(fù)雜的高級功能。

　　由于異質(zhì)集成激光器展現(xiàn)出的成本和性能優(yōu)勢，近年來在窄線寬激光器、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 集成激光器的類型

　　目前已經(jīng)有多種方案實現(xiàn)集成激光器：基于對接耦合的混合集成方案，根據(jù)半導(dǎo)體增益芯片和無源芯片組裝的形式又可以分為芯片間水平對接和倒裝鍵合;基于晶圓級鍵合的異質(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;基于外延生長的單片集成方案，根據(jù)有源區(qū)結(jié)構(gòu)的分類可以分為以多量子阱(MQW)為有源區(qū)域和以量子點(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比示意圖。各種方案的優(yōu)缺點對比如表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比示意圖

　　表1常見集成激光器技術(shù)的優(yōu)缺點

　　03 異質(zhì)集成激光器的發(fā)展

　　3.1 異質(zhì)集成窄線寬激光器

　　窄線寬激光器在相干通信、光學(xué)陀螺儀、原子時鐘、微波生成、傳感等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，激光器的線寬會直接影響這些精密系統(tǒng)的實際應(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，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)實現(xiàn)高相干性的光學(xué)應(yīng)用。

　　異質(zhì)集成技術(shù)可以實現(xiàn)具有優(yōu)異性能的窄線寬激光器：通過晶圓級鍵合并借助步進(jìn)式光刻機(jī)的自動對準(zhǔn)和重復(fù)曝光，實現(xiàn)倏逝波絕熱耦合提高了激光增益芯片和無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對準(zhǔn);通過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，也為激光器拓展腔提供了豐富的設(shè)計方案：通過利用損耗顯著低于Ⅲ-Ⅴ族波導(dǎo)的Si波導(dǎo)外腔和更靈活的外腔設(shè)計，實現(xiàn)超寬帶可調(diào)諧、窄線寬激光器的設(shè)計，并保持較高的輸出功率;通過CMOS工藝兼容的異質(zhì)集成技術(shù)，實現(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)將獨立的數(shù)據(jù)流編碼到同一根光纖的不同波長的信道中，以實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸來降低能耗和依賴的光纖數(shù)量。通過單個多波長梳狀激光器取代多個單波長激光器陣列可以降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，同時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性光學(xué)頻率梳。

　　圖3 硅基光子異質(zhì)集成實現(xiàn)激光孤子微梳生成

　　3.4 其他光子平臺的激光器

　　盡管SOI集成光子平臺在工藝成熟度、成本和性能方面展示出不可比擬的優(yōu)勢，但受到Si帶隙的限制，波長在1.1 μm以下的光在Si波導(dǎo)中會被強(qiáng)烈吸收。和Si相比SiN、LN材料有著更寬的帶隙間隔，通過Ⅲ-Ⅴ/LN或Ⅲ-Ⅴ/SiN異質(zhì)集成，可以將集成激光器工作波長拓展至Si帶隙能量之外的近紅外和可見光波段，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)：通過將Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體激光器與高性能硅基調(diào)制器、探測器等有源器件異質(zhì)集成實現(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，也有助于實現(xiàn)多波長收發(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。

　　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、探測器等，也可以和EIC通過3D集成的方式實現(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 未來展望

　　激光器作為集成光子電路的最重要元件之一，將對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)見的未來，異質(zhì)集成激光器和SOA將廣泛存在于硅光子代工廠的工藝設(shè)計套件中，并在輸出功率、線寬、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、信號處理等不同的應(yīng)用場景都可以實現(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現(xiàn)無需制冷操作，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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