15 年前，加州大學圣巴巴拉分校電氣和材料教授約翰·鮑爾斯（John Bowers）開創(chuàng)了一種將激光器集成到硅片上的方法。此后，該技術與其他硅光子學設備一起被廣泛部署，以取代以前連接數(shù)據(jù)中心服務器的銅線互連，極大地提高了能源效率。在數(shù)據(jù)流量每年大約增長 25% 的情況下，這無疑是一項重要的工作。

在過去幾年來，鮑爾斯帶領的科研團隊一直和瑞士聯(lián)邦理工學院（EPFL）的 Tobias J. Kippenberg 小組合作，參與了國防高級研究計劃局（DARPA）的直接片上數(shù)字光學合成器（DODOS）項目。Kippenberg小組發(fā)現(xiàn)了“微梳”（microcombs），即一系列平行、低噪音、高度穩(wěn)定的激光線。激光 microcombs 的許多條線中的每一條都可以攜帶信息，廣泛地倍增了單個激光器可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

此前有幾個團隊已經(jīng)將半導體激光器芯片和一個獨立的氮化硅環(huán)形共振器芯片非常接近地放置在一起，展示了非常緊湊的 microcombs。不過激光器和諧振器仍然需要獨立制造，然后在彼此接近的地方進行完全對齊，這是一個昂貴和耗時的過程，因此無法擴展。

Bowers 實驗室與 Kippenberg 實驗室合作，開發(fā)了一個集成的片上半導體激光器和諧振器，能夠產(chǎn)生一個激光 microcombs。發(fā)表在新一期《Science》雜志上的一篇題為《Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon》的論文，描述了實驗室在成為第一個實現(xiàn)這一目標方面的成功。

孤子微梳（Soliton microcombs）是一種光學頻率梳，它發(fā)射出相互相干的激光線--也就是說，這些激光線彼此之間處于恒定不變的相位。該技術被應用于光學計時、計量和傳感領域。最近的現(xiàn)場演示包括每秒多比特的光通信、超快光探測和測距（LiDAR）、神經(jīng)形態(tài)計算和用于行星搜索的天體物理光譜儀校準，僅舉幾例。這是一個強大的工具，通常需要特別高的功率和昂貴的激光器以及復雜的光學耦合才能發(fā)揮作用。

這項研究使半導體激光器能夠與低損耗的非線性光學微諧振器無縫集成--"低損耗 "是因為光可以在波導中傳播而不會因距離而損失大量的強度。不需要光學耦合，而且該裝置完全由電子控制。重要的是，這項新技術適合于商業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，因為使用行業(yè)標準的互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容技術，可以在一塊晶圓上制造出成千上萬的裝置。"研究人員說："我們的方法為大批量、低成本制造基于芯片的頻率梳鋪平了道路，用于下一代大容量收發(fā)器、數(shù)據(jù)中心、太空和移動平臺。

制造該設備的關鍵挑戰(zhàn)是，半導體激光器和產(chǎn)生梳狀物的諧振器必須建立在不同的材料平臺上。激光器只能用元素周期表上III族和V族的材料制造，如磷化銦，而最好的 microcombs 只能用氮化硅制造。該論文的主要作者主要作者Chao Xiang 解釋道：“因此，我們必須找到一種方法，將它們放在一塊晶圓上”。

在同一塊晶圓上連續(xù)工作，研究人員利用 UCSB 的異質集成工藝在硅襯底上制造高性能激光器，以及他們的EPFL合作者使用他們開發(fā)的 "光子大馬士革工藝 "制造記錄超低損耗高Q值氮化硅微諧振器的能力。晶圓規(guī)模的工藝--與制作單個器件然后逐一組合的工藝相反--能夠用一個直徑100毫米的晶圓制作數(shù)千個器件，這一生產(chǎn)水平可以在工業(yè)標準的200毫米或300毫米直徑的基片上進一步擴大。

為了使該裝置正常工作，必須控制激光器、諧振器和它們之間的光相位，以建立一個基于 "自射鎖定 "現(xiàn)象的耦合系統(tǒng)。Xiang解釋說，激光器的輸出部分被微型諧振器反向反射。當來自激光器的光和來自諧振器的背反射光之間達到一定的相位條件時，激光器被稱為鎖定在諧振器上。

Xiang解釋說，目前的 microcombs 產(chǎn)生了大約二十到三十條可用的 microcombs 線，未來的目標將是增加這個數(shù)字，"希望能從每個激光共振器中獲得一百條組合線，而且功耗低"。