集成光频梳的可扩展制造

EPFL 和 UCSB 之间的合作取得了期待已久的突破，并展示了用于构建微处理器和存储芯片的 CMOS 技术，该技术允许芯片级光学频率梳的晶圆级制造。

光频梳由等距激光线制成的光频组成。它们已经彻底改变了频率计量、计时和光谱学领域。在过去十年中，EPFL 的 Tobias Kippenberg 教授的实验室发现了“孤子微梳”，这使得频率梳能够在芯片上生成。在该方案中，单频激光被转换为称为耗散克尔孤子的超短脉冲。

孤子微梳是芯片级频率梳，结构紧凑、功耗低、带宽宽。结合大间距的梳“齿”，微梳独特地适用于各种应用，例如数据中心每秒太比特的相干通信、用于系外行星搜索和神经形态计算的天文光谱仪校准、光学原子钟、绝对频率合成和并行相干激光雷达。

然而，一项突出的挑战是激光源的集成。虽然微梳是通过参量频率转换在芯片上产生的(一个频率的两个光子被湮灭，并且在较高和较低频率下产生一对两个新光子)，但泵浦激光器通常是片外且体积庞大的。在同一芯片上集成微梳和激光器可以使用为硅光子学开发的成熟 CMOS 技术实现孤子微梳的大批量生产，但这在过去十年中一直是一个突出的挑战。

对于形成孤子微梳的非线性光学微谐振器，氮化硅 (Si3N4)) 因其超低损耗、从可见光到中红外的宽透明窗口、无双光子吸收和高功率而成为领先平台-处理能力。但是实现超低损耗 Si3N4 微谐振器仍然不足以大批量生产芯片级孤子微梳，因为需要芯片级驱动激光器的协同集成。

十五年前，UCSB 的 John Bowers 教授的实验室开创了一种将半导体激光器集成到硅片上的方法。由于硅具有间接带隙且不能发光，科学家们将磷化铟半导体结合在硅晶片上以形成激光增益部分。这种异构集成激光技术现已广泛应用于光互连，以取代连接数据中心服务器的铜线技术。这种变革性的激光技术已经商业化，英特尔每年出货数百万个收发器产品。

在Science 上发表的一篇文章中，EPFL 和 UCSB 的两个实验室现在通过晶圆级 CMOS 技术展示了超低损耗 Si3N4 光子集成电路(在 EPFL 制造)和半导体激光器(在 UCSB 制造)的首次异构集成。

该方法主要基于将硅和磷化铟多晶片键合到 Si3N4 衬底上。分布式反馈 (DFB) 激光器制造在硅和磷化铟层上。来自一个 DFB 激光器的单频输出被传送到下面的 Si3N4 微谐振器，在那里 DFB 激光器种子孤子微梳形成并产生数十条新的频率线。

这种晶圆级异构工艺可以从单个 100 毫米直径的晶圆上生产出一千多个芯片级孤子微梳器件，适合商业级制造。每个设备都是完全电气控制的。重要的是，生产水平可以进一步扩大到行业标准的 200 或 300 毫米直径基板。

“我们的异构制造技术结合了三种主流集成光子学平台，即硅、磷酸铟和 Si3N4，可以为用于下一代大容量收发器的基于芯片的频率梳的大批量、低成本制造铺平道路，数据中心、传感和计量学，”在 EPFL 微纳米技术中心 (CMi) 领导 Si3N4 制造的 Junqiu Liu 博士说。

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