Science | 芯片集成的半导体激光器和频率梳

加州大学圣巴巴拉分校 (UCSB) 和洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的研究人员合作开发了一种集成的半导体激光器并能够产生激光频率微梳。这一突破将有助于光通信、超快激光雷达、神经形态计算和天体物理光谱仪校准方面的应用。该研究目前已发表Science（www.doi.org/10.1126/science.abh2076）。

在过去的十年中，EPFL的Kippenberg 小组发现了孤子微梳，这是一种芯片集成的光学频率梳，可以发射相互相干的激光频率, 即各激光模式相对于彼此处于恒定、不变的相位,并且还具有低消耗功率和宽光谱。激光梳的每一模式都可以携带信息，大大增加了单个激光器可以发送的数据量。

实现这种类型的集成设备一直是一项突出的挑战。即半导体激光器和产生光梳的谐振器必须构建在不同的材料平台上。激光器只能用元素周期表中 III 族和 V 族的材料制成，例如磷化铟，而光梳只能由氮化硅制成。因此, 过去的研究将半导体激光器芯片和单独的氮化硅环形谐振器芯片非常靠近地放置在一起形成了非常紧凑的光梳，但这些工作中的激光器和谐振器仍然是独立制造地, 然后放置位置要求彼此完美对齐。这样做的过程既昂贵又耗时, 也不可扩展的。此外，泵浦激光器通常体积庞大。本文在同一芯片上集成微梳和激光器, 并利用成熟的 CMOS 技术实现孤子微梳的大批量生产。

数百个半导体激光器和氮化硅微激光器的照片。

在同一晶圆上，研究人员利用异构集成工艺在硅衬底上制造高性能激光器, 并使用他们开发的“光子镶嵌工艺”制造了创纪录的超低损耗高 Q 氮化硅微谐振器。与制造单个器件然后将它们一个接一个地组合起来相比，该工艺可以用单个 100 毫米直径的晶圆制造数千个器件。异构制造技术结合了硅、磷酸铟和 Si3N4 三种主流集成光子学平台，可以为下一代大容量收发器、数据处理、传感和计量中基于芯片集成的频率梳大批量、低成本制造铺平道路.

设备正常工作时是模式锁定的，即控制激光器、谐振腔和它们之间的光学相位关系稳定。当来自激光器的光和来自谐振器的背向反射光之间达到特定相位条件时，激光器被称为锁模激光器。

在激光微梳中，分布式反馈激光器产生一条激光线。然后，光学相位控制器调控其在微腔中的功率强度，直到出现非线性光学效应。非线性效应直接生成一系列的激光频率，最终得到一系列相互相干的光学频率梳，模式数量约20-30，即极大扩展了数据传输能力。另外，锁定的激光会触发谐振腔中的孤子形成，从而降低激光噪声，提高频率稳定性。因此，该团队不仅能够创造出第一个集成在单个芯片上的激光孤子微梳，而且能够创造出第一个在一个芯片上具有多个可用通道的窄线宽激光源。

该研究通过制备一个包含泵浦激光器和光学谐振器的独立芯片极大地促进了光学频率梳在光学时钟、大容量光网络和光谱学中的发展与应用。