????光子集成電路廣泛應(yīng)用于電信和數(shù)據(jù)中心互連等應(yīng)用領(lǐng)域。然而，在微波合成器、光學(xué)陀螺儀和原子鐘8等光學(xué)系統(tǒng)中，光子集成電路盡管在尺寸、重量、功耗和成本方面具有優(yōu)勢，但仍被認(rèn)為是較差的解決方案。

????這種高精度和高度相干的應(yīng)用有利于超低噪聲激光源以緊湊且穩(wěn)定排列的格式與其他光子組件集成——也就是在單個芯片上——用于光子集成電路，以取代整體光學(xué)和fbres。有兩個主要問題阻礙了這種預(yù)期的光子集成電路的實(shí)現(xiàn)：半導(dǎo)體激光器的高相位噪聲和直接在芯片上集成光隔離器的缺陷。

????本文通過利用三維集成來挑戰(zhàn)這一慣例，從而制造超低噪聲激光器與無隔離操作的硅光子學(xué)器件。通過多個單片和異質(zhì)處理序列，演示了III-V增益介質(zhì)和超低損耗氮化硅波導(dǎo)的直接芯片集成，光損耗約為每米0.5分貝。因此，由于超高質(zhì)量因子腔，所演示的光子集成電路進(jìn)入了一種不需要光學(xué)隔離器而產(chǎn)生超低噪聲激光器和微波合成器的狀態(tài)。這種光子集成電路在復(fù)雜功能和體積生產(chǎn)方面也具有更優(yōu)越的可擴(kuò)展性，并隨著時間的推移提高了穩(wěn)定性和可靠性。因此，超低損耗光子集成電路上的三維集成標(biāo)志著邁向硅上復(fù)雜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步。

圖1|三維集成Si PIC芯片。a，左：功能層（上）和所制作的3D PIC上相應(yīng)器件的三維光子集成的概念（器件圖片如圖所示）。這個芯片是從一個完整制造的100毫米直徑的晶圓中分離出來的。SiN晶圓工藝是在CMOS鑄造廠制造的直徑200毫米的晶圓上進(jìn)行，后來被芯成直徑100毫米的晶圓用于非均勻激光制造。右：演示的3D PIC的橫截面。本文設(shè)想未來的工作將實(shí)現(xiàn)額外的功能，如與鑄造可用的Si調(diào)制器和Ge/Sipd集成，以及三維電子-光子非均勻集成，以透明顏色顯示。采用了單片和異構(gòu)集成過程，其中3D轉(zhuǎn)換對功能層的垂直集成至關(guān)重要。b，測量以3D PIC上電信C波段為中心的III-V/SiDFB激光頻譜（右軸），測量同一3D PIC上電信S、C和L波段的ULL SiN波導(dǎo)損耗（左軸，從擬合的諧振器Q中提?。?。c，左：所制作的三維PIC的假彩色聚焦離子束掃描電子顯微鏡圖像，顯示了激光的橫截面。右圖：透射電子顯微鏡圖像顯示了粘合和襯底去除后的層狀I(lǐng)nP外延堆棧。

圖2|激光自注入鎖相和相位噪聲。a，激光自注入鎖定的示意圖，它需要調(diào)諧波長和相位才能工作。有三個旋鈕分別用于控制工作狀態(tài)：激光電流、相加熱器電流和環(huán)形加熱器電流。b，表征激光性能和自注入鎖定過程的實(shí)驗(yàn)裝置。c，激光自注入鎖定對相位調(diào)諧器功率的依賴性。頂部：光譜分析儀記錄的延遲自外差拍譜的變化。底部：示波器在一個相調(diào)諧周期記錄的相應(yīng)功率，顯示鎖定、混沌和解鎖狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中使用的聲光調(diào)制器（AOM）的中心頻率為27 MHz。d,在環(huán)共振藍(lán)移掃描和紅移掃描過程中，使用光纖激光器的激光跳動頻率。垂直箭頭表示自注入鎖定范圍。底部圖是雙向掃描無熱串?dāng)_的非對稱激光頻率鎖定范圍行為的計(jì)算。曲線的藍(lán)色和紅色部分分別表示穩(wěn)定和不穩(wěn)定的分支。e，來自30ghz環(huán)形諧振器的通口和降口的激光輸出的頻率噪聲。比較還顯示了30-GHz-FSR環(huán)形諧振器和β分離線的熱折射噪聲（TRN）。綠色曲線表示參考文獻(xiàn)中報(bào)道的SIL激光器的頻率噪聲。灰色虛線曲線表示相位噪聲分析器（PNA）的噪聲下限。PC，偏振控制器；EDFA，摻鉺光纖放大器；ISO，隔離器；OSA，光譜分析儀；OSC，示波器。

圖3?SIL激光器的|反饋不靈敏度。a，激光器在自由運(yùn)行狀態(tài)和自射鎖定狀態(tài)下工作的反饋影響示意圖。在自注入鎖定條件下，對通口和滴口進(jìn)行了描述。b，反饋靈敏度表征的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。c，計(jì)算I區(qū)邊界（fr1）的臨界反饋水平（最高可容忍反射）對腔載器件的依賴性。來自超高q諧振器的后向散射(R)也會影響最高可容忍的下游反射。d，對自由運(yùn)行的激光狀態(tài)（上）、SIL通端口輸出（中間）和SIL下降端口輸出（下）用AOM自異質(zhì)化記錄的激光光譜線演化。指出了不同的反饋制度，補(bǔ)充資料中涵蓋了這些制度的細(xì)節(jié)。e，在不同的片上反饋水平下，在SIL條件下的下降端口的頻率噪聲。頂部面板顯示了在最大?6.9dB片上反饋下記錄的激光光譜線演化。CIR、循環(huán)器。

圖4|寬可調(diào)諧微波信號產(chǎn)生。a，基于兩個SIL激光器的廣泛可調(diào)外差微波產(chǎn)生的工作原理說明。F表示FSR，Δf是未調(diào)諧的兩個環(huán)諧振器的諧振偏移量。陰影色區(qū)域表示產(chǎn)生的全FSR調(diào)諧的微波信號頻率范圍。b，無隔離器、廣泛可調(diào)諧的外差微波產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。底部的插圖顯示了使用鎖相環(huán)的微波頻率產(chǎn)生的長期穩(wěn)定性改善。c，通過調(diào)諧一個SIL激光器，同時保持另一個SIL激光器在固定波長而產(chǎn)生的微波頻率。所產(chǎn)生的最高微波頻率受到本實(shí)驗(yàn)中使用的PD的限制。d，所產(chǎn)生的微波信號的與載波頻率無關(guān)的相位噪聲。外差微波信號相位噪聲直接由兩個跳動的SIL激光器決定，而不管激光頻率分離，即產(chǎn)生的微波頻率。微波信號的擬合如圖擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6所示。OPLS，偏移鎖相伺服系統(tǒng)；VGA，光纖V形溝槽陣列。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06251-w

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