登上《Nature》：超低噪声激光器！

近日，加州大学圣塔芭芭拉分校John E. Bowers教授课题组联合加州理工学院与Anello Photonics公司，利用3D异质集成三五族激光器和超低损耗氮化硅波导在同一硅光芯片的方案，实现了超低噪声、免光隔离器的激光器。

该团队通过多层的单片原位集成和异质集成的工艺流程，实现了三五族材料（III-V）增益和超低损耗氮化硅波导（其光损耗约为0.5 dB/m）的直接片上集成。利用超高Q（5×10⁷）环形谐振腔在直通端口在10 kHz偏频和白噪声段分别实现250 Hz²/Hz和2.3Hz²/Hz的频率噪声，在分出端口的本征白噪声甚至低至1.7Hz²/Hz，并且表现出5Hz的基本线宽，将噪声降低到接近光纤激光器的水平。该超高Q腔可以有效阻挡任何下游片上或者片外的反射引起的不稳定，从而消除了对光隔离器的需求。此外，该课题组进一步展示了在同一片上使用两个超低噪声激光器产生无光隔离器、广泛可调、低噪声外差微波的技术。

目前，氮化硅光子再分布层和氮化硅超低损层之间的垂直过渡的绝热锥度足够长，以便两个氮化硅层之间完成模式转移。事实上，可以探索波导和超高Q谐振器的新颖耦合策略，以进一步减少芯片器件尺寸，包括直接波导-谐振器直接渐逝耦合。此外，3D集成可以打破不同波导平台之间器件占用空间的不匹配，并利用垂直空间来提高器件的可扩展性。例如，如果与紧凑的高密度面内硅电路集成，具有大弯曲半径的超低损波导通常会占据较大的器件占地面积。而通过3D集成，超低损波导便不会浪费掩膜版空间，而节省的空间对于提高三五族和硅电路复杂性和可扩展性至关重要。

该团队的工作推动了利用3D集成技术实现高密度、高性能硅光芯片的进展，实现了超低噪声、免隔离器的半导体激光器，并提供了集成光子学的新构建模块方案。此外，3D异质集成与电子器件可以有效结合光芯片与电芯片的开发，以实现3D电-光芯片生态系统，为全新类型的硅基芯片提供了可能性。

出版信息

标题:

3D integration enables ultralow-noise isolator-free lasers in silicon photonics

出版信息:

Nature，02 August 2023

DOI:

10.1038/s41586-023-06251-w

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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