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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
光子集成電路廣泛應用于電信和數據中心互連等領域。然而，在微波合成器、光學陀螺儀和原子鐘等光學系統中，盡管光子集成電路在尺寸、重量、功耗和成本方面具有優勢，但仍然被認為是較差的解決方案。這種高精度和高相干應用有利于超低噪聲激光源以緊湊且穩定對齊的形式（即在單個芯片上）與其他光子元件集成，以便光子集成電路取代體光學器件和光纖。有兩個主要問題阻礙了這種設想的光子集成電路的實現：半導體激光器的高相位噪聲以及直接在芯片上集成光隔離器的困難。
有鑒于此，加州大學圣巴巴拉分校Chao Xiang等人通過利用三維集成來挑戰這一慣例，從而產生具有硅光子學無隔離器操作的超低噪聲激光器。通過多個單片和異構處理序列，演示了III-V增益介質和超低損耗氮化硅波導的直接片上集成，光損耗約為每米0.5分貝。因此，由于超高品質因數腔，所演示的光子集成電路進入了一種無需光學隔離器即可產生超低噪聲激光器和微波合成器的狀態。這種光子集成電路還為復雜功能和批量生產提供了卓越的可擴展性，并隨著時間的推移提高了穩定性和可靠性。因此，超低損耗光子集成電路上的三維集成標志著向硅上復雜系統和網絡邁出了關鍵一步。
激光器和超低損耗PIC的3D集成
作者開發了一種集成架構和工藝流程，以將基于 III-V 族的激光器與超低損耗 (ULL) 波導無縫集成。將單片和異構3D集成結合起來，充分釋放實現復雜和高性能光子器件和集成電路的潛力。有效地將3D Si PIC分成具有各自光子功能的層，3D PIC利用跨多層的瞬逝耦合，并使用波導幾何設計來實現否則禁止的層間過渡。
圖 3D集成Si PIC芯片
單芯片自注入鎖定激光器
利用InP/Si DFB激光器的自注入鎖定與熱可調諧SiN超高Q諧振器，在 3D Si PIC上實現超低噪聲激光器。作者研究了自注入鎖定(SIL)激光器的動力學和性能，清楚地揭示了相位相關的鎖定動力學。當前的設備在同一芯片上集成了激光器，ULL約為0.5?dB?m?1，顯示出單芯片設備中最低的激光頻率噪聲，在10kHz時約為250?Hz2 ?Hz?1和2.3?Hz2 ?Hz?1。
圖 激光自注入鎖定和相位噪聲
空腔介導的反饋靈敏度
除了頻率噪聲之外，與超高Q腔的集成還顯著降低了反饋靈敏度。反饋不靈敏度的改進相當于光學隔離器可以提供的有效隔離，以保持激光相干性，從而實現無隔離器、片上激光器與引入強反射的下游器件的集成。
圖 SIL 激光器的反饋不敏感
可調諧微波頻率產生
為了驗證激光器用于外差微波合成的可行性，進行了可調諧微波合成實驗，盡管微波信號強度受到快速PD的響應度和當前片外表征中的耦合損耗的影響，但可以通過直接使用與3D PIC完全兼容的片上III-V放大器以及波導和分路器來提高微波信號強度。微波信號頻率調諧范圍為0至50 GHz，間隔為1 GHz。頻率調諧是連續的，由環形諧振器上的熱相位調諧器控制決定。使用更高帶寬的 PD可以進一步擴展生成的頻率調諧范圍。
圖 廣泛可調的微波信號生成
參考文獻：
Xiang, C., Jin, W., Terra, O. et al. 3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics. Nature 620, 78–85 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-06251-w
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06251-w
