美國研究人員首次將超低噪聲激光器（ultralow-noise lasers）和光子波導（photonic waveguides）集成到單個芯片上。這一期待已久的成就可以使在單個集成設備中使用原子鐘和其他量子技術進行高精度實驗成為可能，從而消除在某些應用中對房間大小的光學平臺的需求。

當電子學還處于起步階段時，研究人員將二極管、晶體管等作為獨立設備進行研究。該技術的真正潛力直到 1959 年之后才得以實現，當時集成電路的發明使得將所有這些組件封裝到一個芯片上成為可能。光子學研究人員希望實現類似的集成壯舉，但他們面臨一個障礙：“對于光子鏈路，我們需要使用光源（通常是激光器）作為發射器，將信號發送到下游光鏈路，例如光纖或波導，” 在加州大學圣巴巴拉分校的John Bowers團隊的博士后Chao Xian解釋道。“但是當你發出光時，它通常會產生一些背向反射：它會回到激光器中并使其變得非常不穩定。”

為了避免這種反射，研究人員通常會插入隔離器（isolators）。這些允許光僅沿一個方向通過，打破了光傳播的自然雙向互易性。困難在于，行業標準隔離器使用磁場來實現這一點，這給芯片制造設施帶來了問題。“CMOS 晶圓廠對潔凈室中的物品有非常嚴格的要求，”現就職于香港大學的Xiang解釋道。“磁性材料通常是不允許的。”

集成但獨立

由于波導退火（annealing waveguides）所需的高溫可能會損壞其他元件，Xiang、Bowers 及其同事開始在硅襯底上制造超低損耗氮化硅波導。然后，他們用幾層硅基材料覆蓋波導，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安裝在一起，制造激光器時涉及的蝕刻就會損壞波導，但在頂部粘合后續層可以避免這個問題。

將激光器和波導分開還意味著這兩個設備相互作用的唯一方式是通過中間氮化硅“重新分布層”通過它們的漸逝場（電磁場的分量不傳播而是以指數方式衰減遠離來源）。因此，它們之間的距離最大限度地減少了不必要的干擾。“頂部激光器和底部超低損耗波導距離很遠，”Xiang 說，“因此它們都可以單獨發揮最佳性能。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。沒有它，他們就不會結合到一起。”

結合最好的有源和無源器件

研究人員表明，這種激光裝置對噪聲的魯棒性達到了標準實驗中預期的水平。他們還通過調整兩個此類激光器之間的拍頻來生產可調諧微波頻率發生器，從而證明了其設備的實用性——這在集成電路上以前是不實用的。

鑒于超低噪聲激光器在現代技術中的廣泛應用，該團隊表示，能夠在集成硅光子學中使用此類激光器是一個巨大的飛躍。“最后，在同一個芯片上，我們可以將最好的有源器件和最好的無源器件結合在一起，”Xiang 說。“下一步，我們將使用這些超低噪聲激光器來實現非常復雜的光學功能，例如精密計量和傳感。”

美國科羅拉多大學博爾德分校的光學物理學家斯科特·迪達姆斯（Scott Diddams）并未參與這項研究，他對此印象深刻：“帶有光學隔離器的集成激光器的問題至少在十年來一直是產業關注的重點，而且沒有人們已經知道如何解決在芯片上制造真正低噪聲激光器的問題……所以這是一個真正的突破，”他說。“像約翰·鮑爾斯這樣的人已經在這個領域工作了 20 年，所以他們知道基本的構建模塊，但弄清楚如何讓它們完美地協同工作并不只是像將各個部件用螺栓固定在一起一樣。”

Diddams 補充道，新的集成設備可能在量子計算領域“非常有影響力”。“嚴肅的公司正在嘗試構建涉及原子和離子的平臺——這些原子和離子以非常特定的顏色運行，我們用激光與它們對話，”他解釋道。“如果沒有像這樣的集成光子學，人們就不可能大規模建造一臺功能齊全的量子計算機。”

審核編輯：劉清