首款同时具有激光器和波导功能的芯片可创建光子集成电路

a, 左图：功能层的三维光子集成概念（上图）和已制造的三维集成电路上的相应器件（下图为器件图片）。该芯片由一个直径为 100 毫米的完整晶圆单独制作而成。氮化硅晶圆工艺是在 CMOS 代工厂制造的直径为 200 毫米的晶圆上完成的，该晶圆随后被切割成直径为 100 毫米的晶圆，用于异质激光制造。右图：已演示的 3D PIC 的横截面（纯色）。我们预计，未来的工作将实现更多功能，例如与代工厂提供的硅调制器和 Ge/Si PD 集成，以及三维电子-光子异质集成（以透明色显示）。b, 在 3D PIC 上以电信 C 波段为中心测量的 III-V/Si DFB 激光光谱（右轴），以及在同一 3D PIC 上电信 S、C 和 L 波段测量的 ULL SiN 波导损耗（左轴，从拟合谐振器 Q 值提取）。右图：透射电子显微镜图像，显示粘合和基底移除后的分层 InP 外延堆栈。来源：《Nature》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41586-023-06251-w
 

加州大学圣巴巴拉分校的计算机和电气工程师团队与加州理工学院的几位同事和 Anello Photonics 公司的另一对同事合作，开发出了一种首创的芯片，它既能承载激光，又能承载光子波导。在他们发表在《Nature》杂志上的论文中，研究小组介绍了他们是如何制造出这种芯片的，以及芯片在测试时的工作情况。

随着集成电路的出现，科学家们学会了把晶体管、二极管和其他元件放在一个芯片上，从而大大提高了它们的潜力。在过去几年中，研究光子学的人员也希望实现同样的成就。该领域的研究人员认为，开发类似的光子芯片可以使原子钟实验更加精确，还可以用于量子应用。它还可以减少对巨大光学工作台的需求。

要使这种芯片发挥作用，它必须同时容纳激光器和光子波导。为此，工程师们开发了插入式隔离器，以防止在没有隔离器的情况下发生反射而导致不稳定。遗憾的是，这种方法需要使用磁性材料，从而导致生产中的问题。在这项新的工作中，研究团队找到了克服这些问题的方法，从而制造出第一块真正可用的组合芯片。

为了制造这种芯片，研究人员首先在硅衬底上安装了超低损耗的氮化硅波导。然后，他们在波导上覆盖了多层硅，并在其上安装了低噪声磷酸铟激光器。通过将这两个部件分开，研究小组避免了蚀刻过程中对波导的损坏。

研究小组指出，分离两个元件还需要使用氮化硅再分布层，以便两个元件之间通过蒸发场发生相互作用。硅层在两个元件之间形成的距离最大限度地减少了干扰。

研究人员首先测量了芯片的噪声水平，对其进行了测试。测试结果令人满意，他们随后用它制作了一个可调微波频率发生器。他们称自己的芯片是 "向硅上复杂系统和网络迈出的关键一步"。

参考资料
 

Chao Xiang et al, 3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06251-w

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