01 研究背景

　　硅由于其間接帶隙缺乏高效率的光源，需要依賴Ⅲ-Ⅴ族增益材料來實現電泵浦高效率、穩定工作的激光光源。在同一硅襯底上使用集成激光器避免了外接大體積的激光器，不僅提升了硅基光子芯片的便攜性，而且有助于在同一芯片上實現復雜的高級功能。

　　由于異質集成激光器展現出的成本和性能優勢，近年來在窄線寬激光器、可調諧激光器、梳狀激光器等領域都得到了快速發展，并在數據中心互聯、傳感、微波生成等應用領域發揮作用。

　　02 集成激光器的類型

　　目前已經有多種方案實現集成激光器：基于對接耦合的混合集成方案，根據半導體增益芯片和無源芯片組裝的形式又可以分為芯片間水平對接和倒裝鍵合;基于晶圓級鍵合的異質集成方案，根據鍵合形式可以分為金屬鍵合、BCB鍵合和借助分子間作用力的直接鍵合;基于外延生長的單片集成方案，根據有源區結構的分類可以分為以多量子阱(MQW)為有源區域和以量子點(QD)為有源區域的單片集成激光器;以及微轉印方案。圖1展示了硅基光子集成電路不同集成激光器方法的工藝流程對比示意圖。各種方案的優缺點對比如表1所示。

　　圖1 硅基光子集成電路不同集成激光器方法的工藝流程對比示意圖

　　表1常見集成激光器技術的優缺點

　　03 異質集成激光器的發展

　　3.1 異質集成窄線寬激光器

　　窄線寬激光器在相干通信、光學陀螺儀、原子時鐘、微波生成、傳感等領域發揮著重要的作用，激光器的線寬會直接影響這些精密系統的實際應用性能。硅基集成光子電路憑借著成本、功耗、緊湊性、便攜性和可拓展性的優勢，且借助異質集成技術為光子集成電路提供優異的高相干性光源，有望在某些領域取代分立式光學系統實現高相干性的光學應用。

　　異質集成技術可以實現具有優異性能的窄線寬激光器：通過晶圓級鍵合并借助步進式光刻機的自動對準和重復曝光，實現倏逝波絕熱耦合提高了激光增益芯片和無源外腔芯片的耦合效率和魯棒性，可以替代混合集成或分立式系統的緩慢和高損耗的主動對準;通過倏逝波耦合方案將激光器腔體從Ⅲ-Ⅴ族增益區域拓展至Si或SiN等材料的腔面，防止Ⅲ-Ⅴ族單片激光器解理面的退化;借助基于超低損耗SiN波導外腔和超高Q值微環諧振腔的自注入鎖定，降低激光器噪聲壓窄線寬;借助超高Q值激光器諧振腔提高下游鏈路的反饋容限，實現高相干性激光器的免隔離器操作。

　　圖2 3D異質集成實現超低噪聲、免隔離器激光器

　　3.2 異質集成可調諧激光器

　　可調諧激光器可以為通信、傳感、醫學成像、光纖測量等領域提升可靠性、靈活性和可拓展性。異質集成技術為光子集成電路提供了穩定的Ⅲ-Ⅴ族激光光源的同時，也為激光器拓展腔提供了豐富的設計方案：通過利用損耗顯著低于Ⅲ-Ⅴ族波導的Si波導外腔和更靈活的外腔設計，實現超寬帶可調諧、窄線寬激光器的設計，并保持較高的輸出功率;通過CMOS工藝兼容的異質集成技術，實現低成本、可大規模制備的可調諧激光器。

　　3.3 異質集成梳狀激光器

　　WDM系統將獨立的數據流編碼到同一根光纖的不同波長的信道中，以實現并行數據傳輸來降低能耗和依賴的光纖數量。通過單個多波長梳狀激光器取代多個單波長激光器陣列可以降低系統的成本和復雜度，同時有助于提升激光器插拔效率和不同信道之間的相位相干性。目前的異質集成梳狀激光器主要有兩種方案，分別為鎖模激光器和克爾非線性光學頻率梳。

　　圖3 硅基光子異質集成實現激光孤子微梳生成

　　3.4 其他光子平臺的激光器

　　盡管SOI集成光子平臺在工藝成熟度、成本和性能方面展示出不可比擬的優勢，但受到Si帶隙的限制，波長在1.1 μm以下的光在Si波導中會被強烈吸收。和Si相比SiN、LN材料有著更寬的帶隙間隔，通過Ⅲ-Ⅴ/LN或Ⅲ-Ⅴ/SiN異質集成，可以將集成激光器工作波長拓展至Si帶隙能量之外的近紅外和可見光波段，從而發揮更加廣闊的集成光子學應用。

　　04 異質集成激光器的應用

　　數據中心互聯：通過將Ⅲ-Ⅴ族半導體激光器與高性能硅基調制器、探測器等有源器件異質集成實現高性能的數據中心互聯收發機，可以有效降低整體成本和功耗、降低封裝復雜度并提升整體可擴展性，也有助于實現多波長收發機提升整體互聯的傳輸速率。

　　傳感技術：Ⅲ-Ⅴ/Si異質集成除了可以提供高功率和低噪聲的片上激光光源之外，也可以發揮其低功耗的相移特性，為用于傳感的硅基光子集成電路提供高性能有源組件。

　　微波信號生成：Ⅲ-Ⅴ/Si異質集成可以提供具有寬譜調諧范圍和窄線寬的激光器，可用于生成更高帶寬和具有低相位噪聲的的微波信號。

　　光電集成：基于Ⅲ-Ⅴ/Si異質集成的PIC可以在同一襯底上集成優異性能的激光器與調制器、探測器等，也可以和EIC通過3D集成的方式實現高密度的光電集成芯片。3D集成可以巧妙地利用芯片的垂直空間，不僅可以實現PIC不同功能層的耦合與解耦，而且可以在PIC與EIC之間借助超短金屬進行互聯降低寄生參數的影響，并減小封裝面積和成本。

　　圖4 基于異質集成激光器的光電集成芯片

　　05 未來展望

　　激光器作為集成光子電路的最重要元件之一，將對集成光子電路的整體性能起決定性作用。異質集成激光器為集成光子電路提供了低耦合損耗、高集成度、低成本的激光器解決方案，將進一步釋放硅光子器件的潛力，突破功耗、成本和速率瓶頸。在可預見的未來，異質集成激光器和SOA將廣泛存在于硅光子代工廠的工藝設計套件中，并在輸出功率、線寬、可調諧性和效率等方面具有穩定的性能表現。

　　此外，異質集成激光器將不僅在用于數據中心互聯的收發機領域實現產業化，而是將追隨光子集成電路的產業化道路，逐漸在互聯、傳感、信號處理等不同的應用場景都可以實現激光器的異質集成，提高系統的集成度和便攜性。而對于異質集成激光器的性能優化，在今后的研究中將提升其高溫操作的性能實現無需制冷操作，并提高激光器的插拔功率進一步降低系統功耗。

參考文獻：今日材料論文

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