继电子集成电路(EIC)之后，硅(Si)光子技术有望实现具有高密度、先进功能和便携性的光子集成电路(PIC)。尽管各种硅光子代工厂正在快速发展 PIC 能力，以实现调制器、光电探测器以及最近的激光器的批量生产，但硅 PIC 还没有达到微波振荡器、原子物理和精密计量等许多应用对激光噪声和整体系统稳定性的严格要求。半导体激光器必须强力抑制放大-自发辐射噪声，才能在这些应用中实现窄线宽。它们还需要与光学系统的其他部分隔离，否则激光源将对来自下游光学元件的背向反射非常敏感，而这超出了 PIC 设计者的控制范围。在许多集成光子解决方案中，必须在激光芯片和系统的其他部分之间插入散装光隔离器，这大大增加了组装和封装的复杂性和成本。
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解决这个问题，为硅光子学带来了无需隔离器的超低噪声激光器。通过多个单片和异质处理序列，作者展示了 III-V 增益介质和超低损耗氮化硅波导的直接片上集成，其光学损耗约为每米 0.5 分贝。因此，由于采用了超高品质因数腔体，所展示的光子集成电路进入了无需光隔离器即可产生超低噪声激光器和微波合成器的阶段。这种光子集成电路还为复杂功能和批量生产提供了卓越的可扩展性，并随着时间的推移提高了稳定性和可靠性。因此，超低损耗光子集成电路上的三维集成标志着向硅上复杂系统和网络迈出的关键一步。相关成果以“3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics”为题发表在《Nature》上。博士生Chao Xiang为一作兼通讯，Warren Jin, Osama Terra, Bozhang Dong为共同一作。
激光器和超低损耗 PIC的3D集成
如图 1a 所示，作者有效地将三维 Si PIC 分离成具有各自光子功能的层。所设计的器件由四个主要功能层组成，包括 III-V 增益层、硅 PIC 层、氮化硅再分布层 (RDL) 和氮化硅 ULL 层。硅层和 ULL 氮化硅层之间的间隔约为 4.8 μm，因此 ULL 氮化硅层可以与后续的硅和磷化铟(InP)加工步骤有效隔离，从而保持 ULL 氮化硅层的性能。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。必要时，RDL可以提供高效的有源层-无源层转换。图 1a 还展示了三维集成电路的横截面，显示了它与代工厂提供的硅光子元件的兼容性。此外，这种 PIC 还可以进一步与 EIC 异质集成，以实现高密度 3D E-PIC。在三维光子集成结构中，厚氧化物分隔层形成了后端损耗起源的有效屏障，从而将超高 Q 值谐振器与高性能 III-V/Si 分布式反馈 (DFB) 激光器完全集成在一起。
图 1：3D 集成 Si PIC 芯片
单芯片自注入锁定激光器
作者利用 InP/Si DFB 激光器的自注入锁定功能，在三维 Si PIC 上实现热可调 SiN 超高 Q 谐振器，从而制造出超低噪激光器(图 2a)。为了将器件设置为适当的工作条件，InP/Si 激光波长由外加增益电流进行调整，SiN 环谐振由热加热器进行调整，而前后相位则由放置在 Si 波导上的热相位调整器进行调整。一旦达到波长和相位匹配条件，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，从而产生多种谐振器定义的激光特性。
作者利用图 2b 所示的测量装置研究了自注入锁定(SIL)激光器的动态和性能。由于在激光器和环形谐振器之间有一个片上相位调谐器，可以清楚地揭示与相位有关的锁定动态。图 2c 显示了激光相干性对导致相移的相位调谐器功率的依赖性。激光波长被预设为与其中一个环共振相匹配。可以观察到，当激光到谐振器的相位被调谐为几个单向 π 周期时，激光相干性呈周期性变化。在每个周期内，激光会经历低相噪锁定、混沌相干坍缩和高相噪自由运行状态。
图 2：激光自注入锁定和相位噪声
空腔介导的反馈灵敏度
在目前的 SIL 配置中，激光器的输出既可以从直通端口输出，也可以从下降端口输出(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。这就为通过改变环形谐振器的负载系数来控制反馈灵敏度提供了另一种自由度。图 3b 所示的实验装置说明了对反馈的依赖性。根据反馈强度的不同，激光器可以在几种不同的状态下工作。作者计算了临界反馈水平与空腔负载 Q 值的函数关系(图 3c)。在不同的瑞利后向散射强度(R)作用下，激光器对下游反射的耐受程度不同。一般来说，大的高 Q 值反馈有利于提高下游反射容差。当谐振器提供的相位响应无法补偿谐振器外更大的反射功率时，这种效应会在一定的加载 Q 值下达到饱和。
图 3：SIL 激光器的反馈不敏感性
可调谐微波频率产生
在晶圆级集成超低噪声激光器的能力为实现以前无法集成的光子设备提供了可能，如图 4a 所示。在这种外差跳变方案中，产生的微波信号相位噪声是外差跳变激光器的相位噪声之和。为了验证我们的激光器用于外差微波合成的可行性，作者进行了一次可调微波合成实验(图 4b)。如底部插图所示，驱动激光电流的光学锁相环可用于提高长期稳定性。芯片封装可以进一步提高稳定性。微波频率调谐是通过调谐一个环形谐振器的环形谐振，同时保持另一个环形谐振器的谐振固定来实现的。
图 4c 概括了所产生的微波信号，其频率可在 1 千兆赫间距下从 0 千兆赫调谐到 50 千兆赫。频率调谐是连续的，由环形谐振器上的热相位调谐器控制决定。作者对不同频率下产生的微波信号的相位噪声进行了表征。结果表明，微波信号的相位噪声由激光相位噪声决定，并且在不同的微波载波频率下保持不变。
图 4：广泛可调的微波信号生成
