片上激光器及其硅基集成光电子芯片面对的应战和展望

　　人类每天制造约2.5千亿字节的数据，而且这个数字将跟着5G、大数据的遍及而快速上升。福布斯2018年一项查询显现，世界上的90%的数据都在曩昔两年间发生。伴跟着数据流量的爆炸性增加，传统电子信息互连架构已无法满意日益增加的带宽以及能耗需求。

　　因而，硅基光电子芯片（Silicon photonics）应运而生。硅基光电子芯片既可运用微电子技能在低本钱、大规模 CMOS 集成方面的优势，又兼具光信号在传输过程中衰减小，传输带宽高，传输速率快、抗搅扰功用强、功耗低一级长处。硅光技能作为后摩尔定律年代完结片上光互连最具有潜力的计划之一，在激光雷达、生化传感、量子信息处理和高功用核算等范畴极具潜能。

　　可是，硅是直接带隙半导体，无法完结高功率发光。跟着硅基调制器、勘探器、耦合器等光子集成器材逐步老练，高效的硅基片上光源已然成为约束硅光技能开展的瓶颈。为了打破该瓶颈，片上激光器作为硅光芯片的“心脏”，成为了光子学研讨近十年最活泼的范畴之一。

　　近来，美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）John Bowers教授团队与阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）万雅婷助理教授团队，受邀撰写了题为“Prospects and applications of on-chip lasers”的总述文章，在杰出计划高起点新刊eLight上宣布。该文章体系介绍了硅基片上光源的不同计划及最新研讨进展，并展望了该技能在通讯、激光雷达、传感、量子信息处理和光核算等范畴的运用远景。

　　第四，出射光波长和现有的光通讯波长相匹配（1310 nm/1550 nm）。

　　此外，作为光子集成回路(Photonic integrated circuit, PIC)的中心部分，集成片上激光器还必须保证能在温度规模较大的环境下安稳作业（30至150C）并具有满意长的作业寿数。

　　当时，集成片上激光器从资料上首要分为锗硅IV族光源和硅基III-V族光源。锗硅IV族光源可经过n型掺杂、应力拉伸和锗锡 (GeSn) 合金等办法将锗由直接带隙资料改构成直接带隙资料，大幅进步原有的发光功率。锗和硅同为四族元素，硅上成长锗的工艺亦相对老练。可是，现在完结的锗硅IV族激光器的阈值电流和发光功率等功用指标远远落后于III-V族激光器，无法到达实践运用的要求。

　　混合集成运用耦合器将外部光源引进到硅波导中，能在封装前对每一个器材进行测验和表征，挑选功用体现杰出的芯片进行封装，因而具有很高的灵活性。可是，受限于杂乱的封装技能和III-V族衬底的运用，混合集成制造本钱昂扬，尺度大，较难完结片上激光器的大规模集成。异质集成经过低温等离子键合等技能将III-V族衬底与硅晶圆键合，再进行后续的器材制造。回避了第一代flip-chip计划中耦合功率不够高、对准调理时间长等问题，现在已直接催生出三家相关的草创企业。该范畴的职业领军英特尔（Intel）公司在此基础上经过了十多年的开展，所研制的根据该硅光子技能的光电收发器现已到达每年约200万只的出货量，产品也从100G快速迭代到200/400G乃至更高速率。可是，异质键合的计划受制于III-V族衬底的运用，约束了本钱的进一步下降。

　　在硅衬底上直接外延III-V族资料的方法合适大尺度成长和大批量出产，是处理硅基光电集成短少中心光源的抱负计划。可是，受限于III-V族和硅资料的极性不同、晶格失配和热膨胀系数差异，在硅上直接成长III-V族资料会呈现反相畴、穿透位错和微裂缝等资料缺点问题，从而会对器材寿数和作业功用发生严重影响。针对这一问题，研讨人员选用非对称缓变过滤层、捕获层等结构规划下降了资料的位错密度的一起，还选用对位错缺点不灵敏的量子点结构，进一步下降位错缺点对激光器功用的影响。该结构的激光器寿数测验效果显现，在4000小时的80 ℃高温测验环境中，器材仅显现出6.8%的阈值电流改变。这表明该激光器的作业寿数高达一百万小时，完全可以满意数据中心、超算中心等的实践需求。进一步，研讨人员在外延成长量子点的基础上引进晶圆键合，经过锥型波导，将电泵浦发生的量子点激光模场转移到硅波导中。这种将量子点激光器集成到硅光芯片上的技能，不只具有明显的低本钱优势，更兼具两者协同效应所带来的功用优势，为硅光技能的进一步开展供给了具有大规模工业运用远景的处理计划。

　　图2：片上量子点激光器示意图及器材图片（整个工艺流程在4寸硅基晶圆上完结）

　　硅基III-V族片上激光器可结合III-V族资料的高发光功率和硅资料的老练工艺、高集成度和低本钱等特性, 有望引领未来硅基光电子集成范畴在不同运用场景的飞速开展：

　　数据通讯：硅基光电子芯片开展的最大驱动力仍然是数据通讯。英特尔(Intel)、博通（Broadcom）、思科（Cisco）和惠普（Hewlett Packard Enterprise）等公司在硅光芯片继续发力，不断提出具有立异性的处理计划，推进着硅光芯片的传输速率从Gbps迈进了Tbps数量级。

　　激光雷达：根据光学相控阵 (OPA) 的调频接连波 (FMCW) 激光雷达具有完结长勘探间隔、直接速度丈量、强壮的抗搅扰性的激光雷达体系的潜力。硅基光电子渠道作为最有期望完结芯片级激光雷达的渠道之一，在近年来已完结了很多关键技能打破。

　　生化传感：Covid-19以来，具有生物健康监测功用的可穿戴设备呈现了巨大的市场需求。集成硅光传感技能，首要有光谱吸收型和折射率改变型两种计划。硅光传感技能是完结高灵敏度、便携式传感器的最有远景的计划之一，已推进了多个产品的落地。

　　量子信息处理：光量子技能运用光子的量子特性进行信息的处理，在近年来报导的多个前沿作业中，都被证明了在保密通讯、分子模仿等方面具有重要的运用远景。传统的量子光路都是由分立的光学镜片构成，光路杂乱，并易受搅扰。将量子光源和线性网络部分在硅光芯片上集成之后，光量子信息处理回路体积可大大缩小，并兼具抗搅扰，编程操控性等功用，有望成为量子信息范畴开展的中心技能之一。

　　光核算：比较于微电子芯片，硅光芯片兼具高通量、高能效比和超低推迟的特性，在核算范畴内具有明显优势。当时，硅光核算芯片的研讨首要集中于全光逻辑、光电交融神经网络完结等方面，这些立异的核算架构，将为当下摩尔定律约束、冯诺依曼瓶颈等问题供给新的处理思路。

　　硅基光电子学中两大中心问题是硅基光源和硅基集成技能。硅基片上光源的集成在近年获得令人瞩目开展的一起，仍面对以下严峻应战：

　　一、硅基量子点激光器有望满意实践运用中对发光功率、出射功率和高温作业环境的要求，其对光反射不灵敏及抗辐照等许多优势是处理硅基光电集成短少中心光源这一难题的抱负计划。但现在，硅基量子点激光器的大部分研讨仍局限于单一器材，硅衬底只起到了衬底的效果。怎么完结多种资料和新机理在硅基渠道上的交融以及协同优化，怎么将量子点器材上的光导入硅波导构成具有完好的光发生、传输、调制、处理和勘探功用的硅光芯片，仍然是没有霸占的难题。

　　二、片上激光器的规划优化要点从单个器材转移到体系层级。怎么从单一分立器材的规划优化转移到对面向片上光互连、光核算等大规模集成光路进行体系级规划优化，怎么完结光器材和电器材的交融以及怎么平衡光电子器材集成密度和工艺制备难度都是咱们在规划光芯片时需求要点考虑的问题。

　　三、硅基光电子技能仍处于起步阶段，许多先进的硅基光电子技能仍停步于实验室大门，还未进入工业界的研制阶段。而且，工业界中各大厂商的规划思路和工艺道路之间仍存在较大差异，性价比最优的集成片上激光器计划没有确认，仍需求学术界和工业界的协同尽力寻觅最佳的处理的计划。

　　从2006年第一次在硅基渠道上完结片上激光器到现在，短短16年之间，片上激光器和硅基光电子芯片的研讨获得了许多令人瞩目的效果，成为了未来数据通讯的关键技能。这是一门 “顶天立地”的科学，从基础科学到实践运用，从长间隔光纤衔接的互联网到片上光互连、激光雷达、传感，再到未来的全光核算，跟着片上光源集成技能的不断完善，硅光正在成为推进新一代信息技能开展的中心驱动力。

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