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《激光与光电子学进展》于2024年第19期（10月）推出创刊六十周年系列专题之“光子集成芯片”，香港大学向超团队发表“异质集成激光器的发展与应用”，回顾了异质集成激光器的发展历程，并总结了异质集成激光器广泛的应用场景，包括数据中心互联、传感、微波信号生成和光电集成，被选为本期专题亮点文章。
https://www.opticsjournal.net/J/lop/60th.html
01
研究背景
硅由于其间接带隙缺乏高效率的光源，需要依赖Ⅲ-Ⅴ族增益材料来实现电泵浦高效率、稳定工作的激光光源。在同一硅衬底上使用集成激光器避免了外接大体积的激光器，不仅提升了硅基光子芯片的便携性，而且有助于在同一芯片上实现复杂的高级功能。
由于异质集成激光器展现出的成本和性能优势，近年来在窄线宽激光器、可调谐激光器、梳状激光器等领域都得到了快速发展，并在数据中心互联、传感、微波生成等应用领域发挥作用。
02
集成激光器的类型
目前已经有多种方案实现集成激光器：基于对接耦合的混合集成方案，根据半导体增益芯片和无源芯片组装的形式又可以分为芯片间水平对接和倒装键合；基于晶圆级键合的异质集成方案，根据键合形式可以分为金属键合、BCB键合和借助分子间作用力的直接键合；基于外延生长的单片集成方案，根据有源区结构的分类可以分为以多量子阱(MQW)为有源区域和以量子点(QD)为有源区域的单片集成激光器；以及微转印方案。图1展示了硅基光子集成电路不同集成激光器方法的工艺流程对比示意图。各种方案的优缺点对比如表1所示。
图1 硅基光子集成电路不同集成激光器方法的工艺流程对比示意图
表1 常见集成激光器技术的优缺点
03
异质集成激光器的发展
窄线宽激光器在相干通信、光学陀螺仪、原子时钟、微波生成、传感等领域发挥着重要的作用，激光器的线宽会直接影响这些精密系统的实际应用性能。硅基集成光子电路凭借着成本、功耗、紧凑性、便携性和可拓展性的优势，且借助异质集成技术为光子集成电路提供优异的高相干性光源，有望在某些领域取代分立式光学系统实现高相干性的光学应用。
异质集成技术可以实现具有优异性能的窄线宽激光器：通过晶圆级键合并借助步进式光刻机的自动对准和重复曝光，实现倏逝波绝热耦合提高了激光增益芯片和无源外腔芯片的耦合效率和鲁棒性，可以替代混合集成或分立式系统的缓慢和高损耗的主动对准；通过倏逝波耦合方案将激光器腔体从Ⅲ-Ⅴ族增益区域拓展至Si或SiN等材料的腔面，防止Ⅲ-Ⅴ族单片激光器解理面的退化；借助基于超低损耗SiN波导外腔和超高Q值微环谐振腔的自注入锁定，降低激光器噪声压窄线宽；借助超高Q值激光器谐振腔提高下游链路的反馈容限，实现高相干性激光器的免隔离器操作。
图2 3D异质集成实现超低噪声、免隔离器激光器
可调谐激光器可以为通信、传感、医学成像、光纤测量等领域提升可靠性、灵活性和可拓展性。异质集成技术为光子集成电路提供了稳定的Ⅲ-Ⅴ族激光光源的同时，也为激光器拓展腔提供了丰富的设计方案：通过利用损耗显著低于Ⅲ-Ⅴ族波导的Si波导外腔和更灵活的外腔设计，实现超宽带可调谐、窄线宽激光器的设计，并保持较高的输出功率；通过CMOS工艺兼容的异质集成技术，实现低成本、可大规模制备的可调谐激光器。
WDM系统将独立的数据流编码到同一根光纤的不同波长的信道中，以实现并行数据传输来降低能耗和依赖的光纤数量。通过单个多波长梳状激光器取代多个单波长激光器阵列可以降低系统的成本和复杂度，同时有助于提升激光器插拔效率和不同信道之间的相位相干性。目前的异质集成梳状激光器主要有两种方案，分别为锁模激光器和克尔非线性光学频率梳。
图3 硅基光子异质集成实现激光孤子微梳生成
尽管SOI集成光子平台在工艺成熟度、成本和性能方面展示出不可比拟的优势，但受到Si带隙的限制，波长在1.1 μm以下的光在Si波导中会被强烈吸收。和Si相比SiN、LN材料有着更宽的带隙间隔，通过Ⅲ-Ⅴ/LN或Ⅲ-Ⅴ/SiN异质集成，可以将集成激光器工作波长拓展至Si带隙能量之外的近红外和可见光波段，从而发挥更加广阔的集成光子学应用。
04
异质集成激光器的应用
数据中心互联：通过将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器与高性能硅基调制器、探测器等有源器件异质集成实现高性能的数据中心互联收发机，可以有效降低整体成本和功耗、降低封装复杂度并提升整体可扩展性，也有助于实现多波长收发机提升整体互联的传输速率。
传感技术：Ⅲ-Ⅴ/Si异质集成除了可以提供高功率和低噪声的片上激光光源之外，也可以发挥其低功耗的相移特性，为用于传感的硅基光子集成电路提供高性能有源组件。
微波信号生成：Ⅲ-Ⅴ/Si异质集成可以提供具有宽谱调谐范围和窄线宽的激光器，可用于生成更高带宽和具有低相位噪声的的微波信号。
光电集成：基于Ⅲ-Ⅴ/Si异质集成的PIC可以在同一衬底上集成优异性能的激光器与调制器、探测器等，也可以和EIC通过3D集成的方式实现高密度的光电集成芯片。3D集成可以巧妙地利用芯片的垂直空间，不仅可以实现PIC不同功能层的耦合与解耦，而且可以在PIC与EIC之间借助超短金属进行互联降低寄生参数的影响，并减小封装面积和成本。
05
未来展望
激光器作为集成光子电路的最重要元件之一，将对集成光子电路的整体性能起决定性作用。异质集成激光器为集成光子电路提供了低耦合损耗、高集成度、低成本的激光器解决方案，将进一步释放硅光子器件的潜力，突破功耗、成本和速率瓶颈。在可预见的未来，异质集成激光器和SOA将广泛存在于硅光子代工厂的工艺设计套件中，并在输出功率、线宽、可调谐性和效率等方面具有稳定的性能表现。
此外，异质集成激光器将不仅在用于数据中心互联的收发机领域实现产业化，而是将追随光子集成电路的产业化道路，逐渐在互联、传感、信号处理等不同的应用场景都可以实现激光器的异质集成，提高系统的集成度和便携性。而对于异质集成激光器的性能优化，在今后的研究中将提升其高温操作的性能实现无需制冷操作，并提高激光器的插拔功率进一步降低系统功耗。
作者简介
向超，香港大学电机电子工程系助理教授。主要从事硅基异质集成、半导体激光器、光电子器件与芯片的研究。代表工作包括氮化硅上异质集成激光器、激光-孤子光频梳生成器以及硅基3D集成超低噪声、免隔离器的激光器等等。在包括Science, Nature, Nature Electronics, Nature Communications 等学术期刊发表数十篇论文。
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