继电子集成电路（EIC）之后，硅（Si）光子手艺有望实现具有高密度、进步效劳和便携性的光子集成电路（PIC）。即使各种硅光子代工厂正在速速开展 PIC 干练，以告终调制器、光电探测器以及近来的激光器的批量坐褥，但硅 PIC 还没有到达微波振荡器、原子物理和缜密计量等好多使用对激光噪声和完全系统平定性的矜重要求。半导体激光器必需强力遏止增添-自愿辐射噪声，能干在这些利用中告竣窄线宽。它们还须要与光学编制的其我个别分开，否则激光源将对来自拙劣光学元件的背向反射异常敏感，而这逾越了 PIC 谋略者的安排限度。在很多集成光子治理计划中，务必在激光芯片和体例的其我们局部之间插入散装光分开器，这大大扩充了组装和封装的繁复性和成本
在这里，加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers院士课题组利用三维集成技术来处理这个问题，为硅光子学带来了无需分开器的超低噪声激光器。进程多个单片和异质惩罚序列，作者显示了 III-V 增益介质和超低损耗氮化硅波导的直接片上集成，其光学花费约为每米 0.5 分贝。所以，由于抉择了超高品德因数腔体，所显示的光子集成电途参加了无需光分开器即可产生超低噪声激光器和微波闭成器的阶段。这种光子集成电路还为繁复听从和批量分娩提供了优秀的可增加性，并随着功夫的推移进步了平稳性和信得过性。是以，超低耗费光子集成电途上的三维集成符号着向硅上庞大系统和搜集迈出的紧要一步。干系劳绩以“3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics”为题布告在《Nature》上。博士生Chao Xiang为一作兼通讯，Warren Jin, Osama Terra, Bozhang Dong为共统一作。
如图 1a 所示，作者有效地将三维 Si PIC 差别成具有各自光子听从的层。所准备的器件由四个重要听命层组成，席卷 III-V 增益层、硅 PIC 层、氮化硅再漫衍层 (RDL) 和氮化硅 ULL 层。硅层和 ULL 氮化硅层之间的隔断约为 4.8 μm，是以 ULL 氮化硅层可能与后续的硅和磷化铟（InP）加工本事有效分开，从而衔接 ULL 氮化硅层的职能。作者还在 Si 层和 ULL SiN 层之间引入了光子 RDL，以控制顶部有源层和底部 ULL 无源层之间的耦合。需求时，RDL不妨提供高效的有源层-无源层改变。图 1a 还展示了三维集成电路的横截面，呈现了它与代工厂供应的硅光子元件的兼容性。其余，这种 PIC 还也许进一步与 EIC 异质集成，以告终高密度 3D E-PIC。在三维光子集成组织中，厚氧化物隔离层造成了后端消费来源的有效樊篱，从而将超高 Q 值谐振器与高职能 III-V/Si 散布式反馈 (DFB) 激光器具备集成在一起。
作者愚弄 InP/Si DFB 激光器的自注入锁定效用，在三维 Si PIC 上完成热可调 SiN 超高 Q 谐振器，从而创造出超低噪激光器（图 2a）。为了将器件设置为关适的工作前提，InP/Si 激光波长由外加增益电流举行颐养，SiN 环谐振由热加热器举行诊治，而前后相位则由铺排在 Si 波导上的热相位诊疗器举行治疗。一旦达到波长和相位成婚要求，自由运行的激光器就会因瑞利反向散射而锁定到超高 Q 值谐振器上，从而发作多种谐振器定义的激光脾性。
作者捉弄图 2b 所示的测量安装咨询了自注入锁定（SIL）激光器的动静和本能。由于在激光器和环形谐振器之间有一个片上相位调谐器，也许理会地揭发与相位有关的锁定动态。图 2c 呈现了激光合联性对导致相移的相位调谐器功率的倚赖性。激光波长被预设为与个中一个环共振相立室。也许观光到，当激光到谐振器的相位被调谐为几个单向 π 周期时，激光合联性呈周期性变动。在每个周期内，激光会始末低相噪锁定、混沌合系坍缩和高相噪自由运行状态。
在今朝的 SIL 摆设中，激光器的输出既或许从直通端口输出，也或许从下降端口输出（图 3a）。环形谐振器本身既是正向输出的强度滤波器，也是反向反射的强度滤波器。这就为通过转换环形谐振器的负载系数来把握反馈灵巧度提供了另一种自由度。图 3b 所示的实验装配注脚了对反馈的倚赖性。遵照反馈强度的破例，激光器可以在几种各异的状态下劳动。作者估量了临界反馈秤谌与空腔负载 Q 值的函数干系（图 3c）。在例外的瑞利后向散射强度（R）影响下，激光器对拙劣反射的耐受水准例外。广博来途，大的高 Q 值反馈有利于提高卑劣反射容差。当谐振器供给的相位应声无法补偿谐振器外更大的反射功率时，这种效应会在必然的加载 Q 值下到达鼓和。
在晶圆级集成超低噪声激光器的能干为达成畴前无法集成的光子安排提供了或许，如图 4a 所示。在这种外差跳变打算中，发生的微波暗号相位噪声是外差跳变激光器的相位噪声之和。为了验证全部人的激光器用于外差微波关成的可行性，作者实行了一次可调微波合成尝试（图 4b）。如底部插图所示，驱动激光电流的光学锁相环可用于发展永远安定性。芯片封装可以进一步提高稳定性。微波频率调谐是历程调谐一个环形谐振器的环形谐振，同时联结另一个环形谐振器的谐振固定来竣工的。
图 4c 抽象了所发作的微波信号，其频率可在 1 千兆赫间距下从 0 千兆赫调谐到 50 千兆赫。频率调谐是一向的，由环形谐振器上的热相位调谐器掌握决定。作者对破例频率下产生的微波信号的相位噪声举办了表征。终止说明，微波暗号的相位噪声由激光相位噪声定夺，况且在例外的微波载波频率下团结不变。
本文所显示的激光器和超低花消波导的三维集成诈骗了垂直距离光子功效层的蒸发耦关优势。这种组织为庞杂的片上光子编制提供了企图空间，而不会受到面内工艺不兼容和性能颓唐的局限。现时，许多基于激光与光纤或单独芯片集成的光学安排和体例，都可以哄骗本文发现的三维激光集成 ULL 技艺转嫁到硅芯片上，包罗布里渊激光器、掺铒推广器、光学陀螺仪和光学频率合成器。其余，三维集成不妨粉碎各异波导平台在器件尺寸和密度上的不匹配，并捉弄垂直空间前进器件的可扩张性。此平台还可与具有庄严模式抑制的厚氮化硅波导层协作利用，用于需要变态色散和高 Q 值空腔的非线性应用。
John E. Bowers是Fred Kavli纳米技艺首席科学家，加州大学圣巴巴拉分校能源服从筹议所主任，电气与估计机工程系的卓异特聘教诲。Bowers博士在斯坦福大学取得硕士和博士学位。在出席加州大学圣巴巴拉分校之前，所有人曾在AT&T贝尔试验室和霍尼韦尔国际管事。Bowers博士是美国国家工程院和美国国家挖掘家科学院院士，国际电气与电子工程师协会、美国光学学会和美国物理学会会士。全班人曾荣获IEEE光子学奖、OSA/IEEE Tyndall奖、OSA Holonyak奖、IEEE LEOS William Streifer奖以及South Coast Business and Technology Pioneer and Entrepreneur of the Year Awards等奖项。我们是Aurrion、Aerius Photonics和Calient Networks三家公司的合资树立人。所有人出版了2本专著，15个章节，揭晓了900多篇期刊论文，1200多篇会说论文，并获批了75项专利。在2007年，Bowers博士及其同事因浮现搀和硅基激光器被授予EE Times年度电子学创意奖（ACE）的最具前景技术。
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