半導(dǎo)體激光器在光纖通信領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮?。得益于半?dǎo)體激光器成本低、功耗低的優(yōu)勢(shì),目前其已在光纖通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。
從全球發(fā)展來(lái)看,目前主流光芯片廠商仍分布在國(guó)外。英特爾以每年制造數(shù)千萬(wàn)個(gè)集成半導(dǎo)體激光器的速度供應(yīng)于全球。
英特爾的核心技術(shù)在于三五族半導(dǎo)體材料與硅的集成,其在光芯片領(lǐng)域的成功,不僅得益于它半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的半導(dǎo)體基礎(chǔ),也受益于它在光芯片領(lǐng)域的十?dāng)?shù)年的技術(shù)積累。
然而,隨著應(yīng)用場(chǎng)景的增多,人們?cè)絹?lái)越多地對(duì)光芯片實(shí)現(xiàn)更多的功能提出了需求與期待。而現(xiàn)實(shí)情況是,材料體系仍存在著很大的局限性,這制約著該領(lǐng)域的發(fā)展。
近日,美國(guó)羅切斯特大學(xué)與加州大學(xué)圣芭芭拉分校、加州理工學(xué)院等團(tuán)隊(duì)合作,開(kāi)創(chuàng)了三五族化合物半導(dǎo)體與鈮酸鋰兩種材料體系的新融合技術(shù)。他們把薄膜鈮酸鋰外腔引進(jìn)到片上激光器,制備出調(diào)頻速度達(dá) 1018Hz/s 量級(jí)的窄線寬激光器,以及首個(gè)通信與可見(jiàn)光同時(shí)激射的集成激光器。
9 月 12 日,相關(guān)論文以《集成 Pockels 激光器》(Integrated Pockels Laser)為題發(fā)表在 Nature Communications 上[1]。羅切斯特大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系博士生李鳴驍和加州大學(xué)圣芭芭拉分校常林博士(現(xiàn)北京大學(xué)信息與通信研究所研究員、助理教授)為論文共同第一作者,羅切斯特大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系教授林強(qiáng)為論文通訊作者。
常林表示,“未來(lái),該技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)和量子信息系統(tǒng)光源的芯片化,并在硅光產(chǎn)線量產(chǎn)。這個(gè)工作展示了三五族化合物半導(dǎo)體與鈮酸鋰在集成光學(xué)中融合的巨大潛力,拓展了光子芯片的應(yīng)用領(lǐng)域。”
圖丨相關(guān)論文(來(lái)源:Nature Communications)
審稿人對(duì)該研究評(píng)價(jià)道:“該項(xiàng)工作在展現(xiàn)激光的快速調(diào)制和模式切換的同時(shí),也提供了其他性能的保證,例如支持器件性能的激光線寬和頻率噪聲。同時(shí),利用二階非線性產(chǎn)生的多色激光是一個(gè)很好的展示。這是第一次展現(xiàn)這樣的集成系統(tǒng),該工作本身不僅意義重大,而且對(duì)于社區(qū)也極具價(jià)值。”
新型寬帶集成激光器首次實(shí)現(xiàn)通信與可見(jiàn)光的同時(shí)激射
鈮酸鋰作為廣泛應(yīng)用的非線性材料之一,在光通信中扮演著不可或缺的角色,尤其是在電光性效應(yīng)中。而在眾多非線性效應(yīng)中,該團(tuán)隊(duì)使用基于二階非線性效應(yīng)的 Pockels(泡克耳斯)電光效應(yīng)和二階諧波產(chǎn)生,利用低損耗的鈮酸鋰激光外腔,實(shí)現(xiàn)了通信波段的窄線寬激射。
通過(guò) Pockels 電光效應(yīng),該團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光腔內(nèi)的移相器,得以高速調(diào)制鈮酸鋰的折射率,從而高速、有效地對(duì)激光的縱模頻率進(jìn)行調(diào)制,達(dá)到超高的調(diào)頻速度。
圖丨集成 Pockels 激光器示意圖(來(lái)源:Nature Communications)
利用腔內(nèi)的二階諧波產(chǎn)生,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步得到可見(jiàn)光的出射,首次在集成激光器實(shí)現(xiàn)通信與可見(jiàn)光的同時(shí)激射?!巴ㄟ^(guò)腔內(nèi) Pockels 電光效應(yīng),我們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的可見(jiàn)光與通信光同時(shí)高速調(diào)制,無(wú)論是調(diào)頻或是調(diào)幅?!崩铠Q驍說(shuō)。
除了調(diào)頻速度上的突破,該技術(shù)對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用場(chǎng)景,最重要的是性能上的進(jìn)步。例如對(duì)于調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,F(xiàn)MCW)激光雷達(dá),其線寬、線性度要求很高,決定了激光雷達(dá)探測(cè)的性能?!拔覀兊墓ぷ髟趯?shí)現(xiàn)了快速調(diào)制的同時(shí),kHz 級(jí)別的線寬和小于 3% 的非線性度,避免了調(diào)幅產(chǎn)生的不必要信號(hào)干擾。”李鳴驍說(shuō)。
圖丨李鳴驍(來(lái)源:李鳴驍)
不僅如此,通過(guò) Vernier 環(huán)結(jié)構(gòu)和耦合光條件的優(yōu)化,使激光達(dá)到了優(yōu)秀的性能指標(biāo)——20 納米帶寬的通信光,和 10 納米帶寬的可見(jiàn)光出射,可用于多波長(zhǎng)激光雷達(dá)探測(cè)。并且,該環(huán)形結(jié)構(gòu)也幫助該團(tuán)隊(duì)縮小了激光線寬、滿(mǎn)足了基本的應(yīng)用要求。
該研究共經(jīng)歷約四年時(shí)間,由羅切斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)主要課題,完成了芯片的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)試。2018 年夏天,羅切斯特大學(xué)林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與克萊姆森大學(xué)的朱林(Lin Zhu)教授開(kāi)始一起構(gòu)想集成 Pockels 激光器,并進(jìn)行了初期嘗試,但遇到了一些阻礙。
圖丨激光器調(diào)頻調(diào)幅工作原理(來(lái)源:Nature Communications)
由于缺乏激光器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),該團(tuán)隊(duì)在一開(kāi)始就遇到了極大挑戰(zhàn)。李鳴驍表示,“無(wú)論是 Vernier 環(huán)結(jié)構(gòu)還是環(huán)鏡的設(shè)計(jì),都經(jīng)過(guò)了很久的優(yōu)化。同時(shí)在三五族芯片與鈮酸鋰芯片耦合的損耗也過(guò)高,導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)足夠的受激輻射增益?!?
為解決該問(wèn)題,林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在 2020 年,與彼時(shí)在加州大學(xué)圣芭芭拉分校約翰·鮑爾斯(John Bowers)課題組的博士后研究員常林進(jìn)行了交流,隨后雙方建立起了新的團(tuán)隊(duì),并共同開(kāi)展工作。在常林的支持和指導(dǎo)下,該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化束斑轉(zhuǎn)換器、優(yōu)化截面拋光技術(shù),實(shí)現(xiàn)了損耗降低和較低的激光閾值。
此外,在測(cè)試過(guò)程中,激光器線寬性能測(cè)試的方法還得到了加州理工學(xué)院克里·瓦哈拉(Kerry Vahala)教授組博士生武略、博士后研究員王賀明及沈博強(qiáng)博士的支持。
系迄今唯一可搭配 FMCW 激光雷達(dá)的全芯片化線性調(diào)頻光源方案
正如很多業(yè)內(nèi)人士討論的那樣,光電結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì),而鈮酸鋰作為二者結(jié)合的橋梁,必然是不可或缺的一環(huán)。
那么,該技術(shù)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景呢?實(shí)際上,該技術(shù)的主要應(yīng)用之一在 FMCW 激光雷達(dá)?!敖刂聊壳?,這是世界上唯一能滿(mǎn)足 FMCW 激光雷達(dá)需求的全芯片化線性調(diào)頻光源方案?!崩铠Q驍指出。
同時(shí),該研究中實(shí)現(xiàn)的激光頻率可重構(gòu)性(laser-frequency reconfigurability)和激光電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)的調(diào)幅,可以實(shí)現(xiàn)微型化的任意光波形產(chǎn)生,在微波光子學(xué)會(huì)有良好的應(yīng)用前景。
此外,由腔內(nèi)光頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的多色光源,可以克服三五族帶寬的限制,最終實(shí)現(xiàn)可高速調(diào)制的多波段激射的新型激光源。李鳴驍舉例說(shuō)道:“比如藍(lán)、綠、紅光源的集成,可見(jiàn)光與紅外光源的集成,對(duì)激光顯示、三維成像、AR/VR、激光傳感和診斷等。”
圖丨激光器的功率、線寬和波長(zhǎng)調(diào)諧特性(來(lái)源:Nature Communications)
三五族半導(dǎo)體與鈮酸鋰結(jié)合的最大潛力在于光通信領(lǐng)域,鈮酸鋰的電光調(diào)制功能是收發(fā)器的核心。
目前,該領(lǐng)域的大量工作已經(jīng)證明,鈮酸鋰作為電光調(diào)制器的性能及其價(jià)值,很多國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行兩個(gè)平臺(tái)的融合研究?!岸叩募珊艽蟪潭壬咸嵘水a(chǎn)品性能,并且降低了成本,這對(duì)行業(yè)的發(fā)展是重大利好?!崩铠Q驍說(shuō)。
當(dāng)然,該研究只是一個(gè)好的開(kāi)端,該團(tuán)隊(duì)也正在朝著異構(gòu)集成(heterogeneous integration)的方向努力,這也是對(duì)于規(guī)?;傻膽?yīng)用不可或缺的方向。他認(rèn)為,“這個(gè)變化不僅對(duì)于 Pockels 激光器是突破,同時(shí)也可以被應(yīng)用在所有與三五族半導(dǎo)體、鈮酸鋰相關(guān)的應(yīng)用,例如電光調(diào)制器和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,這將會(huì)成為產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。”
談及該技術(shù)具體到應(yīng)用的可能實(shí)現(xiàn)路徑,李鳴驍認(rèn)為,最早實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的應(yīng)是在數(shù)據(jù)中心的收發(fā)器,其后是在波長(zhǎng)變換器以及調(diào)頻激光器,以及兩者的結(jié)合?!捌鋵?shí)在數(shù)年前,商業(yè)化的起步已經(jīng)開(kāi)始了,目前最主要的障礙在于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成工藝。我認(rèn)為,該技術(shù)在三年左右就會(huì)實(shí)現(xiàn)突破。”
“只是時(shí)間問(wèn)題,不是你成功就是別人成功”
科技的進(jìn)步能夠推動(dòng)世界的發(fā)展,對(duì)于李鳴驍而言,科研的目的也在于此。正因?yàn)檫@樣,他更聚焦于應(yīng)用科學(xué)方面的研究。
他認(rèn)為,集成光子學(xué)是在集成電子學(xué)之后,下一個(gè)應(yīng)用科學(xué)的核心領(lǐng)域之一。因此,在南京大學(xué)本科畢業(yè)后,他來(lái)到羅切斯特大學(xué)在該方向繼續(xù)深耕。
圖丨李鳴驍(來(lái)源:李鳴驍)
一路走來(lái),李鳴驍在研究成果方面也收獲頗豐,并作為多篇重要論文的第一作者。在該研究之前,該團(tuán)隊(duì)還應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰調(diào)制器的微型化。他們利用微米級(jí)別大小的設(shè)備,同時(shí)完成了 10 吉字節(jié)每秒以上的調(diào)制速率和 22 飛焦的能量消耗[2],向鈮酸鋰集成的邁出了重要的一步。
此外,林強(qiáng)課題組還首次在鈮酸鋰微腔中,觀測(cè)到三倍頻光的產(chǎn)生。在光子晶體結(jié)構(gòu)中,利用其微米級(jí)別的光模體積,以及鈮酸鋰材料的二階以及三階非線性效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了光的二倍頻與三倍頻[3]。
李鳴驍表示,優(yōu)秀的成果離不開(kāi)導(dǎo)師的全力支持與幫助。其導(dǎo)師林強(qiáng)教授在知識(shí)經(jīng)驗(yàn)上全面指導(dǎo)的同時(shí),也給予了他很大的科研自由空間。不僅在時(shí)間上,也在項(xiàng)目合作和未來(lái)選擇上。
他的科研經(jīng)驗(yàn)是,在失敗中汲取經(jīng)驗(yàn)、在實(shí)驗(yàn)中找到快樂(lè)。并且還要不卑不亢、不驕不躁?!翱蒲袕膩?lái)都是困難的,成功是必然,只是時(shí)間問(wèn)題。不是你成功就是別人成功,要在別人的成功中找到自己的問(wèn)題與不足,這都會(huì)對(duì)自己的進(jìn)步起到積極作用。”他說(shuō)。
參考資料:
1.Li, M., Chang, L., Wu, L. et al. Integrated Pockels laser. Nature Communications 13, 5344 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33101-6
2.Li, M., Ling, J., He, Y. et al. Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator. Nature Communications 11, 4123 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-17950-7
3.Li, M., Liang H. et al.Laser &Photonics Reviews (2019). https://doi.org/10.1002/lpor.201970024
新聞來(lái)源:DeepTech深科技
相關(guān)文章