光子集成领域取得了一项开创性的突破，一款独具创新设计的微电子芯片成功融合了激光器和光波导，在科学研究领域引起了广泛的关注。
图1：三维集成硅光子集成芯片。图左侧：功能层的三维光子集成概念（顶部），以及在制造的三维光子集成电路（底部）上呈现的相应器件。此芯片从完全制备好的直径为100毫米的晶圆中分离得到，氮化硅（SiN）晶圆加工过程是在CMOS晶圆厂中制造直径为200毫米的晶圆上进行，随后将其切割成直径为100毫米的晶圆，用于异质激光器的制作。图右侧：实验中展示的三维光子集成电路的实体截面。未来的工作将赋予额外功能，如与晶圆厂提供的硅调制器和Ge/Si光电二极管的集成，以及三维电子-光子异质集成，这些在图中透明颜色中展示。单片和异质集成工艺均得以应用，其中三维过渡对于功能层的垂直集成至关重要。 该研究由加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的工程师团队与加州理工学院（California Institute of Technology）以及Anello Photonics的科研人员共同完成。他们成功地开发出一款集成芯片，能够无缝地容纳激光器和光子波导。在备受推崇的学术期刊《自然》（Nature）上发表，研究团队详细描述了这款芯片的制造过程，并详细阐述了其在严格的实验测试中所表现出的卓越性能。
图2：(上)测得的III-V/Si DFB激光器位于通信C波段中心的光谱，呈现在3D光子集成电路上（右轴），同时在相同的3D光子集成电路上测得了在通信S、C和L波段范围内的ULL SiN波导损耗（左轴，通过拟合的谐振腔Q值得到）。(下）通过虚拟上色的聚焦离子束扫描电子显微镜图像展示了制造好的3D光子集成电路，显示了激光器的截面。右图：透射电子显微镜图像展示了键合和去除基底后的分层InP外延结构。 集成电路的问世彻底改变了现代电子学，通过将晶体管、二极管和其他组件封装在单一芯片上，极大地提升了电子设备的功能。近年来，光子学领域一直在努力模仿这种一体化设计。该领域的先驱们认为，类似的光子集成芯片的发展将在原子钟实验和量子应用方面引发更精确的实验，同时减少对庞大光学仪器的需求。
这一突破性芯片的核心要求是无缝集成激光器和光子波导，这是一个复杂而艰巨的任务。之前的尝试包括使用插入隔离器来抵消可能引发不稳定性的反射。然而，这种方法需要使用磁性材料，从而引入了生产方面的挑战。然而，在这项最新的研究中，研究团队成功克服了这些障碍，创造出了第一个真正可用的集成芯片，将这两个不同的元素相互融合。
该芯片的制造过程的关键步骤是将超低损耗的氮化硅波导沉积到精心准备的硅基底上。随后的硅层覆盖了波导，为低噪声的磷酸铟激光器的集成提供了稳定的基础。通过将这两个元素隔离，不仅可以防止蚀刻过程中的潜在损伤，还为进一步的组装铺平了道路。
图3:该光子集成芯片详细的工艺流程图。 值得注意的是，激光器和波导组件之间的隔离需要引入一个有目的的再分配层，这个层是由硅氮化物制成的。这个层在两个组件之间创造了有序的相互作用通道，通过微小的耦合场促进相互作用。通过精心调整硅层的层数，这两个关键组件之间的间隔被巧妙地控制，从而有效地减少了干扰。
对该芯片性能的验证从噪声水平的严格评估开始，结果显示其满足了先进应用的严格要求。随后，研究团队利用这款芯片构建了一个可调谐的微波频率发生器，充分展示了其多功能性。研究团队将其成果形容为“朝着在硅基底上实现复杂系统和网络迈出的关键一步”。
更多详细信息，请参阅Chao Xiang等人所发的论文，题为“3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics”，发表于《自然》（Nature）杂志（2023），DOI: 10.1038/s41586-023-06251-w。
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