美國(guó)研究人員首次將超低噪聲激光器（ultralow-noise lasers）和光子波導(dǎo)（photonic waveguides）集成到單個(gè)芯片上。這一期待已久的成就可以使在單個(gè)集成設(shè)備中使用原子鐘和其他量子技術(shù)進(jìn)行高精度實(shí)驗(yàn)成為可能，從而消除在某些應(yīng)用中對(duì)房間大小的光學(xué)平臺(tái)的需求。

當(dāng)電子學(xué)還處于起步階段時(shí)，研究人員將二極管、晶體管等作為獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行研究。該技術(shù)的真正潛力直到 1959 年之后才得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)集成電路的發(fā)明使得將所有這些組件封裝到一個(gè)芯片上成為可能。光子學(xué)研究人員希望實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的集成壯舉，但他們面臨一個(gè)障礙：“對(duì)于光子鏈路，我們需要使用光源（通常是激光器）作為發(fā)射器，將信號(hào)發(fā)送到下游光鏈路，例如光纖或波導(dǎo)，” 在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的John Bowers團(tuán)隊(duì)的博士后Chao Xian解釋道?！暗钱?dāng)你發(fā)出光時(shí)，它通常會(huì)產(chǎn)生一些背向反射：它會(huì)回到激光器中并使其變得非常不穩(wěn)定?！?/p>

為了避免這種反射，研究人員通常會(huì)插入隔離器（isolators）。這些允許光僅沿一個(gè)方向通過(guò)，打破了光傳播的自然雙向互易性。困難在于，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)隔離器使用磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這給芯片制造設(shè)施帶來(lái)了問(wèn)題。“CMOS 晶圓廠對(duì)潔凈室中的物品有非常嚴(yán)格的要求，”現(xiàn)就職于香港大學(xué)的Xiang解釋道?！按判圆牧贤ǔＪ遣辉试S的。”

集成但獨(dú)立

由于波導(dǎo)退火（annealing waveguides）所需的高溫可能會(huì)損壞其他元件，Xiang、Bowers 及其同事開(kāi)始在硅襯底上制造超低損耗氮化硅波導(dǎo)。然后，他們用幾層硅基材料覆蓋波導(dǎo)，并在堆疊的頂部安裝低噪聲磷酸銦激光器。如果他們將激光器和波導(dǎo)安裝在一起，制造激光器時(shí)涉及的蝕刻就會(huì)損壞波導(dǎo)，但在頂部粘合后續(xù)層可以避免這個(gè)問(wèn)題。

將激光器和波導(dǎo)分開(kāi)還意味著這兩個(gè)設(shè)備相互作用的唯一方式是通過(guò)中間氮化硅“重新分布層”通過(guò)它們的漸逝場(chǎng)（電磁場(chǎng)的分量不傳播而是以指數(shù)方式衰減遠(yuǎn)離來(lái)源）。因此，它們之間的距離最大限度地減少了不必要的干擾?！绊敳考す馄骱偷撞砍蛽p耗波導(dǎo)距離很遠(yuǎn)，”Xiang 說(shuō)，“因此它們都可以單獨(dú)發(fā)揮最佳性能。氮化硅重新分布層的控制使它們能夠精確地耦合到您想要的位置。沒(méi)有它，他們就不會(huì)結(jié)合到一起。”

結(jié)合最好的有源和無(wú)源器件

研究人員表明，這種激光裝置對(duì)噪聲的魯棒性達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中預(yù)期的水平。他們還通過(guò)調(diào)整兩個(gè)此類(lèi)激光器之間的拍頻來(lái)生產(chǎn)可調(diào)諧微波頻率發(fā)生器，從而證明了其設(shè)備的實(shí)用性——這在集成電路上以前是不實(shí)用的。

鑒于超低噪聲激光器在現(xiàn)代技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)表示，能夠在集成硅光子學(xué)中使用此類(lèi)激光器是一個(gè)巨大的飛躍?！白詈?，在同一個(gè)芯片上，我們可以將最好的有源器件和最好的無(wú)源器件結(jié)合在一起，”Xiang 說(shuō)?！跋乱徊?，我們將使用這些超低噪聲激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的光學(xué)功能，例如精密計(jì)量和傳感。”

美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的光學(xué)物理學(xué)家斯科特·迪達(dá)姆斯（Scott Diddams）并未參與這項(xiàng)研究，他對(duì)此印象深刻：“帶有光學(xué)隔離器的集成激光器的問(wèn)題至少在十年來(lái)一直是產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，而且沒(méi)有人們已經(jīng)知道如何解決在芯片上制造真正低噪聲激光器的問(wèn)題……所以這是一個(gè)真正的突破，”他說(shuō)?！跋窦s翰·鮑爾斯這樣的人已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域工作了 20 年，所以他們知道基本的構(gòu)建模塊，但弄清楚如何讓它們完美地協(xié)同工作并不只是像將各個(gè)部件用螺栓固定在一起一樣。”

Diddams 補(bǔ)充道，新的集成設(shè)備可能在量子計(jì)算領(lǐng)域“非常有影響力”?！皣?yán)肅的公司正在嘗試構(gòu)建涉及原子和離子的平臺(tái)——這些原子和離子以非常特定的顏色運(yùn)行，我們用激光與它們對(duì)話，”他解釋道。“如果沒(méi)有像這樣的集成光子學(xué)，人們就不可能大規(guī)模建造一臺(tái)功能齊全的量子計(jì)算機(jī)?！?/p>

審核編輯：劉清