研究阐释集成光频率梳的可扩展制造

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近日，在《科学》上发表的一篇文章中，瑞士洛桑理工学院（EPFL）和加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的两个实验室，首次展示了超低损耗氮化硅光子集成电路（在EPFL制造）和半导体激光器（在UCSB制造）通过片级CMOS技术的异质集成。

光学频率梳由等距激光线构成的光频率组成。研究人员已经革新了频率计量、定时和光谱学领域。在过去的十年里，EPFL教授Tobias Kippenberg实验室发现了孤子微梳，使得频率梳能够在芯片上产生。在这个方案中，单频激光被转换成超短脉冲称为耗散克尔孤子。

孤子微梳是一种结构紧凑、功耗低、带宽宽的芯片级频率梳。结合大间距的梳状“齿”，微梳适合广泛应用于系外行星搜索和神经形态计算的天文光谱仪校准、光学原子钟、绝对频率合成和并行相干激光雷达等。

然而，一个突出的挑战是激光源的集成。虽然微梳是在芯片上通过参数频率转换产生的，但泵浦激光器通常是芯片外的，体积很大。如何将微梳和激光器集成在同一个芯片上，一直是一个突出的挑战。

该新方法主要是基于硅和磷化铟在氮化硅衬底上的多片键合。在磷化硅和磷化铟层上制备了分布反馈（DFB）激光器。DFB激光器的单频输出被传送到下面的氮化硅微谐振器，DFB激光器在那里种子孤子微梳形成并产生数十条新的频率线。

研究人员表示，这种晶圆规模的异质过程可以从一个100毫米直径的晶圆上生产出超过1000个芯片规模的孤子微梳器件，使其能够用于商业水平的制造。每个装置都是完全电控的。重要的是，生产水平可以进一步扩大到行业标准的200或300毫米直径的基材。