在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)領(lǐng)域，Intel 作為唯一掌握異質(zhì)集成硅光子技術(shù)的行業(yè)巨頭，占據(jù)了光收發(fā)器市場的大量份額。其已經(jīng)出貨 600 萬件基于異質(zhì)集成的產(chǎn)品，并保持快速增長的態(tài)勢。

同時(shí)，為了服務(wù)高性能計(jì)算和人工智能運(yùn)算產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量，光電協(xié)同封裝技術(shù)方興未艾。而基于異質(zhì)集成技術(shù)的光電子芯片，由于能夠直接在硅光片上集成三五族激光器從而滿足信道容量的要求，已成為業(yè)界矚目的、在光電協(xié)同封裝中具備重要前景的組成部分。

越來越多的行業(yè)巨頭開始涉足這一領(lǐng)域，Meta、微軟等互聯(lián)網(wǎng)巨頭以及思科等網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商都在提前布局。與此同時(shí)，在該領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了多家初創(chuàng)公司。

香港大學(xué)電機(jī)與電子工程系助理教授向超以異質(zhì)光子集成、硅光子學(xué)、半導(dǎo)體激光器和光子集成電路為研究方向，并主導(dǎo)研發(fā)了一系列硅基異質(zhì)集成光電子器件，主要包括氮化硅上單片集成激光器、硅基激光光孤子頻率梳生成器、硅基窄線寬激光器等。

他本科階段在華中科技大學(xué)光電學(xué)院學(xué)習(xí)，積累了光電子領(lǐng)域研究的知識(shí)基礎(chǔ)。在香港中文大學(xué)信息工程系取得碩士學(xué)位后，赴加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校讀博，師從國際硅基光電子學(xué)的奠基人之一約翰·鮑爾斯（John Bowers）教授，并在其課題組完成博士后研究。

憑借在國際上首次實(shí)現(xiàn)全新的集成光電子器件，攻克集成光子芯片領(lǐng)域近 10 年來的一項(xiàng)里程碑目標(biāo)，將半導(dǎo)體激光器和非線性光頻梳在同一芯片上實(shí)現(xiàn)完全的集成和功能化，為低成本、大規(guī)模制造激光-孤子光頻梳鋪平了道路，向超成為 2022 年度《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 中國入選者之一。

在國際上首次實(shí)現(xiàn)全新的集成光電子器件

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)基于分離的光學(xué)器件，依靠自由空間光路或光纖連接完成系統(tǒng)性功能。而集成光電子學(xué)的發(fā)展，使光電器件走向芯片化、小型化，并在諸多方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，例如可重復(fù)性、能耗、可靠性、價(jià)格等。

集成光電子學(xué)在光通信、數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)等應(yīng)用場景中扮演著重要角色，并延伸到“后摩爾時(shí)代”的芯片間互連、高精度傳感、低噪聲微波、量子計(jì)算等一系列前沿領(lǐng)域。

在眾多應(yīng)用中，集成光電子學(xué)芯片往往依賴于某種特定的材料體系，從而限制了在單一芯片所能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)功能。這些功能主要包括激光光源生成、光信號(hào)調(diào)制與探測、低損耗高 Q 值諧振等。同時(shí)，受限于不同材料體系的生長不兼容性，在單一芯片維度上進(jìn)一步提高光電子器件的性能變得十分困難。

向超在博士和博士后期間，主要致力于研發(fā)多層異質(zhì)集成技術(shù)。他與合作者采用多層異質(zhì)集成技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了一種新的集成光電子器件，在一個(gè) 4 英寸的硅基襯底上，采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容的半導(dǎo)體工藝，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器和非線性光頻梳的單片全集成和功能化[1]。

向超表示，該技術(shù)代表了迄今片上集成低噪聲激光器的最優(yōu)越性能。其直接結(jié)果在于采用多層鍵合，首次為超低損耗氮化硅平臺(tái)提供了高性能三五族激光光源。

相關(guān)研究以《硅上異質(zhì)集成的激光-光孤子微梳》（Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon）為題發(fā)表在Science。

圖丨Science 雜志當(dāng)期 THIS WEEK IN SCIENCE 專欄重點(diǎn)介紹該項(xiàng)“芯片頻率梳”工作（來源：Science）

此前，氮化硅作為性能極佳的超低損耗集成光子學(xué)平臺(tái)，雖然提供了微腔孤子光頻梳等在測量、通信、傳感領(lǐng)域具有極佳應(yīng)用前景的技術(shù)，卻無法單片集成激光器、放大器、探測器，導(dǎo)致應(yīng)用場景受到限制，而多層異質(zhì)集成技術(shù)突破了這種局限。

另一方面，作為傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體激光器最大受限性能因素之一的激光器噪聲，也在集成超低損耗氮化硅波導(dǎo)諧振腔之后，在相關(guān)性能指標(biāo)上接近并超越昂貴的光纖激光器。

圖丨整個(gè)工藝流程在一片 4 寸硅基晶圓上完成（來源：Science）

該技術(shù)還被應(yīng)用于制造首個(gè)單片集成的激光-微腔孤子光頻梳生成器，避免了昂貴的高功率激光器、放大器、光學(xué)對(duì)準(zhǔn)封裝。向超表示：“該技術(shù)為低成本、大規(guī)模制造激光光孤子光頻梳鋪平了道路，有利于其在數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)、微波光子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮實(shí)際意義的作用?！?/p>

總之，多層異質(zhì)集成技術(shù)著眼于突破材料體系的限制，未來將被應(yīng)用于更多材料體系，以期構(gòu)建復(fù)雜、多功能、高度集成化、高性能的集成光電子芯片，為眾多應(yīng)用提供新的平臺(tái)。

研制出世界上首個(gè)和氮化硅波導(dǎo)異質(zhì)單片集成的半導(dǎo)體激光器

一項(xiàng)研究的突破，和研究者此前的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備密不可分。

如何在氮化硅平臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光器？這是向超首個(gè)負(fù)責(zé)的科研課題。正是這個(gè)課題的完成，為前文提及的“在單個(gè)硅光器件集成激光與光頻梳”研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

該研究的主要突破在于，首次實(shí)現(xiàn)了不需要光學(xué)封裝、單片集成的氮化硅上激光器，并展現(xiàn)出在線寬、溫度穩(wěn)定性相比較傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢[2]。

此前，由于材料方面的限制，雖然可以實(shí)現(xiàn)集成光子學(xué)器件并實(shí)現(xiàn)超低損耗非線性等功能，但是氮化硅材料本身卻不能發(fā)光。在氮化硅上，向超嘗試采用最可行的途徑之一——晶圓鍵合和三五族材料異質(zhì)集成的方法。但由于材料折射率不匹配、集成不同的材料的工藝問題也隨之而來。

“為解決該問題，我們提出用多層異質(zhì)集成的方法。但實(shí)際上最初很多人都不太看好該方法，因?yàn)楣に嚵鞒痰碾y度非常大，采用多種材料集成到單片后，它們相互的工藝兼容性方面存在巨大的挑戰(zhàn)?！彼f。

為實(shí)現(xiàn)第一個(gè)激光器從 0 到 1 的工作，他用了整整兩年時(shí)間。緊接著，僅半年時(shí)間，便獲得了性能很好的激光器?！斑@項(xiàng)研究相當(dāng)于打開了該方向的一扇大門，實(shí)現(xiàn)第一個(gè)激光器后，我就意識(shí)到，之后會(huì)解鎖一系列此前無法實(shí)現(xiàn)的器件?！毕虺硎尽?/p>

圖丨顯示磷化銦/硅/氮化硅分布式布拉格反射器激光器陣列的器件光學(xué)照片（來源：Nature Communications ）

氮化硅上單片集成激光器由于采用比較低成本的晶圓半導(dǎo)體工藝，在工藝的制作流程中可以高良率、大規(guī)模地制備，避免了昂貴光學(xué)封裝的不穩(wěn)定性。

該研究在許多領(lǐng)域的應(yīng)用具備實(shí)際意義，例如高精度傳感、量子信息、微波光子學(xué)等。向超認(rèn)為，該研究可推動(dòng)這些技術(shù)以低價(jià)的方式，從實(shí)驗(yàn)室的研究走向大規(guī)模的應(yīng)用場景。

談及取得系列創(chuàng)新成果的“秘笈”，向超表示：“攻克棘手的技術(shù)難題難免要經(jīng)歷長時(shí)間的失敗與堅(jiān)持，首先需要有‘坐冷板凳’的心態(tài)，然后再將研究成果作為對(duì)當(dāng)初的勇敢與堅(jiān)持的一種獎(jiǎng)勵(lì)?！?/p>

創(chuàng)新的前提條件是了解和判斷什么是“舊”和“新”。他表示：“在知曉‘舊’的過程中，才能真正體會(huì)‘新’的意義。對(duì)我而言，創(chuàng)新是一切科研工作的最大驅(qū)動(dòng)力、指路明燈。”

勇闖科研的“無人區(qū)”

基于學(xué)術(shù)氛圍、自由度和興趣驅(qū)動(dòng)，在結(jié)束博士后研究工作中后，向超選擇加入香港大學(xué)任教并成立獨(dú)立課題組。

實(shí)際上，向超對(duì)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直“耳濡目染”。他的導(dǎo)師鮑爾斯教授直接參與了 Intel早期異質(zhì)集成技術(shù)的研發(fā)，成功孵化了一家異質(zhì)集成光電芯片公司 Openlight（前身為 Aurrion，現(xiàn)為 Juniper 和 Synopsys 共署旗下公司），現(xiàn)在同時(shí)還在領(lǐng)導(dǎo)另外兩家專研異質(zhì)集成技術(shù)的硅光子公司。

他一直在思考技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的關(guān)系，計(jì)劃將技術(shù)儲(chǔ)備到一定階段后，將新興的細(xì)分領(lǐng)域推向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并對(duì)硅光子芯片在“后摩爾時(shí)代”的芯片互聯(lián)，以及在生物健康方面的應(yīng)用高度關(guān)注。

“下一代異質(zhì)集成技術(shù)，會(huì)在傳感、微波等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的實(shí)用價(jià)值，有望使傳統(tǒng)需要貴重實(shí)驗(yàn)室儀器才能實(shí)現(xiàn)的光學(xué)應(yīng)用，以集成芯片化的方式低能耗、低價(jià)格、大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)。我期待在不久的將來能夠孵化多層異質(zhì)集成技術(shù)，將相關(guān)的成果產(chǎn)業(yè)化，追趕世界領(lǐng)先的光電集成芯片技術(shù)，創(chuàng)造這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。”他說。

不止于部分器件的集成化，向超希望最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)功能，最終完成芯片化和集成化。他期待早日看到光子集成技術(shù)成為電芯片間互聯(lián)的優(yōu)秀解決方案，也就是 Optical I/O 技術(shù)。“這是我最希望看到的技術(shù)落地，因?yàn)檫@代表著光子技術(shù)將它的巨大潛力用在了解決電芯片在功耗、帶寬等瓶頸問題上，是真正能夠具有顛覆意義的技術(shù)。”

向超的導(dǎo)師鮑爾斯教授曾說過一句話讓他記憶猶新，衡量一個(gè)博士生是否優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)之一，是在他畢業(yè)時(shí)，是否能夠?qū)ζ洚厴I(yè)論文的課題比世界上任何人了解的都多。

“在我成為博士生導(dǎo)師后，也鼓勵(lì)我的學(xué)生們勇闖科研的‘無人區(qū)’去做有特色、有深度的研究，擁有自己的代表作，而不是做跟隨式的研究?！彼f。

審核編輯 ：李倩