Nature: 三维集成使硅光子学中的超低噪声无隔离激光器
光子集成电路广泛应用于电信和数据中心互连等应用领域。然而，在微波合成器、光学陀螺仪和原子钟8等光学系统中，光子集成电路尽管在尺寸、重量、功耗和成本方面具有优势，但仍被认为是较差的解决方案。
这种高精度和高度相干的应用有利于超低噪声激光源以紧凑且稳定排列的格式与其他光子组件集成——也就是在单个芯片上——用于光子集成电路，以取代整体光学和fbres。有两个主要问题阻碍了这种预期的光子集成电路的实现：半导体激光器的高相位噪声和直接在芯片上集成光隔离器的缺陷。
本文通过利用三维集成来挑战这一惯例，从而制造超低噪声激光器与无隔离操作的硅光子学器件。通过多个单片和异质处理序列，演示了III-V增益介质和超低损耗氮化硅波导的直接芯片集成，光损耗约为每米0.5分贝。因此，由于超高质量因子腔，所演示的光子集成电路进入了一种不需要光学隔离器而产生超低噪声激光器和微波合成器的状态。这种光子集成电路在复杂功能和体积生产方面也具有更优越的可扩展性，并随着时间的推移提高了稳定性和可靠性。因此，超低损耗光子集成电路上的三维集成标志着迈向硅上复杂系统和网络的关键一步。
图1|三维集成Si PIC芯片。a，左：功能层（上）和所制作的3D PIC上相应器件的三维光子集成的概念（器件图片如图所示）。这个芯片是从一个完整制造的100毫米直径的晶圆中分离出来的。SiN晶圆工艺是在CMOS铸造厂制造的直径200毫米的晶圆上进行，后来被芯成直径100毫米的晶圆用于非均匀激光制造。右：演示的3D PIC的横截面。本文设想未来的工作将实现额外的功能，如与铸造可用的Si调制器和Ge/Sipd集成，以及三维电子-光子非均匀集成，以透明颜色显示。采用了单片和异构集成过程，其中3D转换对功能层的垂直集成至关重要。b，测量以3D PIC上电信C波段为中心的III-V/SiDFB激光频谱（右轴），测量同一3D PIC上电信S、C和L波段的ULL SiN波导损耗（左轴，从拟合的谐振器Q中提取）。c，左：所制作的三维PIC的假彩色聚焦离子束扫描电子显微镜图像，显示了激光的横截面。右图：透射电子显微镜图像显示了粘合和衬底去除后的层状InP外延堆栈。
图2|激光自注入锁相和相位噪声。a，激光自注入锁定的示意图，它需要调谐波长和相位才能工作。有三个旋钮分别用于控制工作状态：激光电流、相加热器电流和环形加热器电流。b，表征激光性能和自注入锁定过程的实验装置。c，激光自注入锁定对相位调谐器功率的依赖性。顶部：光谱分析仪记录的延迟自外差拍谱的变化。底部：示波器在一个相调谐周期记录的相应功率，显示锁定、混沌和解锁状态。本实验中使用的声光调制器（AOM）的中心频率为27 MHz。d,在环共振蓝移扫描和红移扫描过程中，使用光纤激光器的激光跳动频率。垂直箭头表示自注入锁定范围。底部图是双向扫描无热串扰的非对称激光频率锁定范围行为的计算。曲线的蓝色和红色部分分别表示稳定和不稳定的分支。e，来自30ghz环形谐振器的通口和降口的激光输出的频率噪声。比较还显示了30-GHz-FSR环形谐振器和β分离线的热折射噪声（TRN）。绿色曲线表示参考文献中报道的SIL激光器的频率噪声。灰色虚线曲线表示相位噪声分析器（PNA）的噪声下限。PC，偏振控制器；EDFA，掺铒光纤放大器；ISO，隔离器；OSA，光谱分析仪；OSC，示波器。
图3 SIL激光器的|反馈不灵敏度。a，激光器在自由运行状态和自射锁定状态下工作的反馈影响示意图。在自注入锁定条件下，对通口和滴口进行了描述。b，反馈灵敏度表征的实验设置。c，计算I区边界（fr1）的临界反馈水平（最高可容忍反射）对腔载器件的依赖性。来自超高q谐振器的后向散射(R)也会影响最高可容忍的下游反射。d，对自由运行的激光状态（上）、SIL通端口输出（中间）和SIL下降端口输出（下）用AOM自异质化记录的激光光谱线演化。指出了不同的反馈制度，补充资料中涵盖了这些制度的细节。e，在不同的片上反馈水平下，在SIL条件下的下降端口的频率噪声。顶部面板显示了在最大−6.9dB片上反馈下记录的激光光谱线演化。CIR、循环器。
图4|宽可调谐微波信号产生。a，基于两个SIL激光器的广泛可调外差微波产生的工作原理说明。F表示FSR，Δf是未调谐的两个环谐振器的谐振偏移量。阴影色区域表示产生的全FSR调谐的微波信号频率范围。b，无隔离器、广泛可调谐的外差微波产生的实验设置。底部的插图显示了使用锁相环的微波频率产生的长期稳定性改善。c，通过调谐一个SIL激光器，同时保持另一个SIL激光器在固定波长而产生的微波频率。所产生的最高微波频率受到本实验中使用的PD的限制。d，所产生的微波信号的与载波频率无关的相位噪声。外差微波信号相位噪声直接由两个跳动的SIL激光器决定，而不管激光频率分离，即产生的微波频率。微波信号的拟合如图扩展数据图6所示。OPLS，偏移锁相伺服系统；VGA，光纤V形沟槽阵列。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06251-w
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