激光突破:首先是商业可伸缩的集成激光和单片机上的微压

晶圆上的光频率梳

艺术家的电控光学频率梳子概念例证在晶圆刻度。信誉:Brian Long

十五年前,UC Santa Barbara电气和材料教授John Bowers先驱将激光与硅晶片集成在一起。此后,该技术已广泛部署与其他硅光子装置组合,以取代以数据中心的以前连接的服务器的铜线互连,显着提高能源效率 - 当数据流量增长的时间大约25%时,这是一个重要的努力。年。

几年来,鲍尔斯团队与瑞士联邦理工学院(EPFL)的Tobias J. Kippenberg团队在国防高级研究计划局(DARPA)的直接片上数字光学合合器(DODOS)项目中进行了合作。基彭伯格团队发现了“微梳”,一系列平行的、低噪声的、高度稳定的激光线。激光梳的每一条线都可以携带信息,大大增加了一束激光可以发送的数据量。

最近,几个团队通过将半导体激光芯片和单独的氮化硅环形谐振器芯片放在一起来展示非常紧凑的梳子。然而,激光器和谐振器仍然是单独的装置,独立制造,然后彼此完全对准,并且不可缩放的昂贵和耗时的过程彼此紧密地放置。

Bowers实验室已经与Kippenberg实验室合作开发了一种集成的片上半导体激光器和谐振器,能够产生激光微梳。一篇名为“硅上异质集成的激光孤子微梳”的论文发表在新一期的杂志上科学,描述了该实验室在成为第一个实现这一目标方面的成功。

孤子微囊体是光学频率梳子,其发射相互相干的激光线 - 即,相对于彼此相对于恒定,不变相位的线。该技术应用于光学定时,计量和感测的领域。最近的现场示范包括多次每秒光学通信,超速光检测和测距(LIDAR),神经形态计算和行星搜索的天体物理光谱仪校准,名称几个。它是一种强大的工具,通常需要特殊的高功率和昂贵的激光器和功能复杂的光学耦合。

激光微压力的工作原理,解释的铅作者陈翔,博士后研究员和新铸造博士。在Bowers的实验室中,分布式反馈(DFB)激光器产生一种激光线。然后,该线路通过光学相位控制器并进入微环谐振器,导致功率强度随着光在环周围行进而增加。如果强度达到某个阈值,则发生非线性光学效应,导致一个激光线在任一侧产生两个额外的相同线。这两个“侧线”中的每一个都会产生别人,导致激光线的级联。“你最终得到了一系列相互相干的频率梳子,”翔说 - 并实现了传输数据的绝大膨胀能力。

该研究使半导体激光器能够与低损耗非线性光学微谐振器无缝集成 - 由于光可以在波导中行进而不会在远处丢失大量强度的情况下的“低损耗”。不需要光学耦合,并且该装置完全电控。重要的是,新技术为商业规模生产提供了自身,因为可以使用工业标准互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容技术的单个晶片来制造成千上万的设备。“我们的方法为下一代高容量收发器,数据中心,空间和移动平台提供了大量,低成本制造的芯片的频率梳理,”研究人员表示。

制造该器件的关键挑战在于,半导体激光器和产生梳状结构的谐振器必须建立在不同的材料平台上。激光只能用元素周期表上的III和V族材料制成,比如磷化铟,而最好的梳状体只能用氮化硅制成。“所以,我们必须找到一种方法,把它们放在一块单晶片上,”Xiang解释说。

Working sequentially on the same wafer, the researchers leveraged UCSB’s heterogeneous integration process for making high-performance lasers on silicon substrate and the ability of their EPFL collaborators to make record ultra-low-loss high-Q silicon nitride micro-resonators using the “photonic damascene process” they developed. The wafer-scale process — in contrast to making individual devices and then combining them one by one — enables thousands of devices to be made from a single 100-mm-diameter wafer, a production level that can be scaled up further from the industry standard 200-mm- or 300-mm-diameter substrate.

对于该装置正常运行,必须控制激光,谐振器和它们之间的光学相位以基于“自进样锁定”现象来创建耦合系统。Xiang解释说激光输出由微谐振器部分反射。当在来自激光器的光和来自谐振器的反射光之间实现某个相位条件时,将锁定激光器被锁定到谐振器。

通常情况下,背反射光会损害激光的性能,但在这里它对产生微梳至关重要。锁定的激光光在谐振腔中触发孤子的形成,同时降低了激光光噪声或频率不稳定性。这样,有害的东西就变成了有益的东西。因此,该团队不仅创造了第一个集成在单个芯片上的激光孤子微梳,而且还创造了第一个在一个芯片上具有多个可用通道的窄线宽激光源。

“光梳产生的领域非常令人兴奋,发展非常迅速。它正在光学时钟、大容量光网络和许多光谱应用中寻找应用,”弗雷德·卡弗里纳米技术主席和工程学院能源效率研究所主任Bowers说。“缺失的元素是一个独立的芯片,包括泵浦激光器和光谐振器。我们展示了这一关键因素,这将有助于这项技术的迅速普及。”

“我认为这项工作将变得非常大,”翔说。他补充说,这项新技术的潜力让他提醒他15年前将激光器放在硅片上的硅光子的研究和工业商业化。“这种转型技术已经商业化,而英特尔每年船数百万的收发器产品,”他说。“未来使用共封装光学的硅光子,可能是使用大量光学通道的更高容量收发器的强大驱动因素。”

湘解释说,目前的梳子产生大约三十至三十个可用的梳状线,前进的目标将增加该数字,“希望从每个激光谐振器从每个激光谐振器获得一百个组合的线条,低功耗。”

Based on the soliton microcombs’ low energy use and their ability to provide a large number of high-purity optical comb lines for data communications, said Xiang, “We believe that our achievement could become the backbone of efforts to apply optical frequency comb technologies in many areas, including efforts to keep up with fast-growing data traffic and, hopefully, slow the growth of energy consumption in mega-scale datacenters.”

2021年7月1日,科学

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