新型微型激光器在显微镜下才能看清楚全貌，但美国桑迪亚国家实验室团队表示，尺寸只是它众多优点之一。
图1 三英寸的镀金硅片上含有超过一千个实验激光器和放大器，可用于为系统工程、科学和和应用综合设施制造。
现如今，激光器的热点在于应用广泛，与其它微型光学设备相结合，使自动驾驶汽车更安全、数据中心更高校、生化传感器更便携、雷达和其它防御技术更加通用。
近日，桑迪亚国家实验室团队申请了一项专利，一种新型方法将不同材料集合到硅片上，其中硅片与半导体企业生产微型芯片用的原始材料一致。基于以上方法，桑迪亚国家实验室能够制造高带宽、高速的光学设备，包括磷化铟激光器、铌酸锂调制器、锗探测器和低损耗声光隔离器等大功率光学系统的关键组成器件。
硅基激光器的制造具有挑战性，它可能会进一步提高美国在半导体技术方面的领导地位。而加州大学圣塔芭芭拉分校和英特尔公司已经开发出相似的激光器，但桑迪亚国家实验室扩大了集成设备的类别。因此，这些器件首次实现了在光学微芯片上的协同工作，也被称为光子集成电路。
桑迪亚国家实验室Patrick Chu说：“这提高美国的领先地位，并减小对国外制造的依赖。”
Patrick Chu是****光子中心的负责人之一，该中心由桑迪亚微系统工程、科学和应用综合体等60多名光学科学家和工程师组成。
硅上集成是生产的关键
硅是半导体产业的生命线，也是制造电脑芯片的重要材料。然而，桑迪亚国家实验室科学家 Ashok Kodigala 说，就其本身而言，它并不是制造激光器的优选糕材料。Ashok Kodigala 是硅片集成过程的发明者之一。
他面临的挑战是设计出一种方法，使由多种材料制成的光学元件能够在硅微芯片上共存。这些材料不能简单地粘合在一起，所以Kodigala用复杂的硅层将它们融合在一起，这个过程也被称为异质集成。
图2 桑迪亚国家实验室科学家Ashok Kodigala在MESA综合设施的显微镜下，将光纤与芯片大小、异质集成的激光器并行连接。
该团队成功演示了多元化集成技术创建集成硅设备：混合激光器、磷化铟和硅制成的放大器以及由铌酸锂和硅支撑的调制器，它们共同根据激光编码信息。
此外，为了与同一平台的激光器和调制器保持同步，还开发了高功率、高速锗探测器。
桑迪亚国家实验室技术应用于半导体生产
桑迪亚国家实验室团队制造芯片级激光器，并希望将其应用于工业生产。在商业半导体生产中，激光产生的波长通常在电信行业中使用，称为C波段和O波段。
Kodigala说：“一旦国家实验室展示了这种光学平台，美国半导体公司可以在商业和政治领域，实现更大规模生产。”
光子半导体支持CHIPS和科学法案
2022年，美国总统拜登签署了《CHIPS and Science Act》法案，这成为头条新闻。该法案是一项无党派的法案，为半导体产业提供了527亿美元的资金支持。尽管这项立法预计将增加美国制造的计算机芯片的产量，但它也为光子半导体提供了一定的资金支持。
因为与传统芯片相比，光学微型芯片能够传输更多的信息，桑迪亚国家实验室也投资它们。但Chu表示，制造业的光学技术阻碍了它们的广泛应用。他说，尽管这项技术在科学界广为人知，但在大多数微芯片上，电子技术仍然占据主导地位。
通过建立光子电路的工作平台，该团队已定位于在未来几年支持业界和其他从事光子学研究和开发的机构。然而，桑迪亚的研究目前没有得到 CHIPS 法案的资助。
Chu说：“我们的流程是可扩展的，所以这也是支持 CHIPS 法案的一种方式，桑迪亚国家实验室渴望与其它国家合作，共同开发新技术。”
