隨著摩爾定律逼近其物理極限，芯片間數(shù)據(jù)交互的限制成為提高芯片性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
硅基光電集成技術(shù)具有大光學(xué)帶寬、低傳輸損耗、低能耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備光信號(hào)傳輸?shù)母邘捄偷退p特性，已被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)片上光互連的最具潛力的方案。
但由于硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，將它作為有效的光源材料存在局限性�，F(xiàn)如今，隨著各類(lèi)光子集成單元技術(shù)的日益成熟，高效的硅基光源已經(jīng)成為該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。為滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，在硅襯底上直接集成 III-V 族材料，成為解決硅基光電集成中核心光源問(wèn)題的理想方案。
與傳統(tǒng)的量子阱材料相比，零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)因其對(duì)位錯(cuò)缺陷的不敏感性、低閾值電流密度以及能夠在高工作溫度條件下工作等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是硅基外延 III-V 族半導(dǎo)體激光器中的理想光源。
在此背景下，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)助理教授萬(wàn)雅婷以硅基量子點(diǎn)光源的潛力為研究重點(diǎn)，將其與硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）制造流程結(jié)合，助力推動(dòng)下一代光芯片技術(shù)的發(fā)展。
她主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的硅基量子點(diǎn)光電技術(shù)解決了硅光集成的核心光源問(wèn)題。該技術(shù)具備高溫魯棒性、低閾值電流和強(qiáng)抗反射性，為高速大容量光通信、光計(jì)算及量子通信提供了高性能和高集成度的解決方案。憑借一系列創(chuàng)新研究，萬(wàn)雅婷成為 2023 年度《麻省理工科技評(píng)論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國(guó)入選者之一。
實(shí)現(xiàn)高溫魯棒性的高性能光源及硅光片上集成技術(shù)的突破
萬(wàn)雅婷本科畢業(yè)于浙江大學(xué)光電工程學(xué)專(zhuān)業(yè)，師從何建軍教授。在學(xué)期間，她在微電子和光電子學(xué)領(lǐng)域積累了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。隨著摩爾定律逐漸接近其物理極限，她敏銳地意識(shí)到硅基光電集成技術(shù)的重要性，并決定將研究重心轉(zhuǎn)向這一新興領(lǐng)域。
在香港科技大學(xué)攻讀博士期間，她師從劉紀(jì)美院士，專(zhuān)注于硅基量子點(diǎn)作為有源器件的研究。她回憶道：“當(dāng)時(shí)硅光子學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，硅波導(dǎo)和調(diào)制器等硅光器件技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但光源問(wèn)題始終是制約其發(fā)展的重要瓶頸�！睘榇�，她與團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究和探索，成功突破了量子點(diǎn) III-V 族光電器件外延集成到硅基底的復(fù)雜技術(shù)難題。
量子點(diǎn)是一種由半導(dǎo)體材料制成的納米晶體，尺寸通常在幾納米范圍內(nèi)�！傲孔狱c(diǎn)被稱(chēng)為‘人工原子’，因?yàn)樗ㄟ^(guò)量子限制效應(yīng)將電子和空穴約束在一個(gè)微小的三維區(qū)域內(nèi)。”她解釋道。
這種限制導(dǎo)致其能級(jí)呈離散化特性，類(lèi)似于原子中的電子能級(jí)。通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸，可以精確調(diào)控其電子能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整其發(fā)射光的波長(zhǎng)。這種特性使得量子點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)高效、可調(diào)諧激光的重要材料，尤其在硅光子技術(shù)中展現(xiàn)出巨大潛力。
通過(guò)采用與 CMOS 工藝兼容的 001 晶面的硅片，她創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)激光器通過(guò)外延生長(zhǎng)方式直接集成到硅光平臺(tái)的技術(shù)突破。這一方法避免了傳統(tǒng)四度或六度偏離晶面所帶來(lái)的工藝限制，顯著提升了器件性能和集成度。相關(guān)論文發(fā)表在 Optica，并被選為封面論文 [1]。
此外，量子點(diǎn)因其獨(dú)特的線寬增強(qiáng)因子小、線寬窄等特性備受關(guān)注。這些特性使量子點(diǎn)對(duì)反射不敏感，因此在系統(tǒng)中不需要隔離器，從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并助力系統(tǒng)的小型化和高集成度�；谶@些優(yōu)勢(shì)，萬(wàn)雅婷及其團(tuán)隊(duì)在硅基激光器和光電檢測(cè)器的研發(fā)上取得了多項(xiàng)突破。
從定義新性能標(biāo)準(zhǔn)的微腔激光器，到展現(xiàn)出色射頻性能的多波長(zhǎng)鎖模激光器；從具備極低暗電流性能的光電檢測(cè)器，到無(wú)需隔離器的芯片系統(tǒng)，這些成果充分展現(xiàn)了量子點(diǎn)技術(shù)在硅基光電領(lǐng)域的巨大潛力，為實(shí)現(xiàn)超過(guò) 1Tbit/s 的高擴(kuò)展性和長(zhǎng)壽命的硅基接收器奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ) [2]。
博士畢業(yè)后，萬(wàn)雅婷加入美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB，University of California，Santa Barbara）約翰E鮑爾斯（John E. Bowers）教授團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了為期 5 年的博士后研究。期間，她進(jìn)一步拓展了硅基量子點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了硅基量子點(diǎn)激光器與硅波導(dǎo)無(wú)源器件的高度集成，為推動(dòng)硅光子技術(shù)的突破性發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
與 Intel 研究中心的合作更是為異質(zhì)集成技術(shù)注入了新動(dòng)力，她專(zhuān)注于通過(guò) wafer bonding（晶圓鍵合）技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)激光器與硅光芯片的深度集成。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，如何將量子點(diǎn)薄膜成功鍵合到硅芯片上并加工激光器，同時(shí)確保量子點(diǎn)的性能不受影響，并維持其他硅光組件（如波導(dǎo)和調(diào)制器）的功能完整性。
研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了硅晶片的預(yù)處理工藝。在激光器所需位置精確開(kāi)孔后，使用鍵合技術(shù)將量子點(diǎn)薄膜無(wú)縫連接到硅晶片上。后續(xù)的加工過(guò)程中，通過(guò)高精度光刻工藝實(shí)現(xiàn)激光器與硅之間的對(duì)準(zhǔn)，避免了傳統(tǒng)手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)可能帶來(lái)的誤差。這種全流程確保了光從量子點(diǎn)到硅的的高效傳輸，并通過(guò)錐度結(jié)構(gòu)的倏逝波耦合實(shí)現(xiàn)了卓越性能。相關(guān)論文發(fā)表于 Laser & Photonics Reviews，并被選為封面文章 [3]。
“與以往的工作不同，我們不再僅僅將硅作為襯底，而是真正地將激光器與硅光子平臺(tái)深度集成，使光能夠直接傳輸?shù)焦璨▽?dǎo)中，形成一個(gè)完整的工具平臺(tái)�！比f(wàn)雅婷解釋道�！皼](méi)有捷徑可走，這是一場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)的持久戰(zhàn)，我們花了五年時(shí)間，投入了數(shù)千小時(shí)的工作來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括組件的鍵合、刻蝕和沉積順序，以及壓力和溫度條件的優(yōu)化。”
2024 年，Intel 在其工業(yè)實(shí)驗(yàn)室中成功復(fù)制了這一工藝，從而突破了大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的局限性，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的更廣泛應(yīng)用�！斑@為商業(yè)化應(yīng)用邁出了重要一步�！比f(wàn)雅婷表示。Intel 對(duì)提高設(shè)備可靠性以及取消隔離器的商業(yè)興趣為這項(xiàng)研究提供了重要?jiǎng)恿Γ摮晒惭永m(xù)了 Intel 與該課題組在量子阱異構(gòu)激光器上的成功合作。
圖丨硅基光源和硅光片上集成技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用（來(lái)源：elight）
為高速大容量光通信、光計(jì)算及量子通信提供高性能和高集成度的解決方案
從 2022 年 6 月起，萬(wàn)雅婷在阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST，King Abdullah University of Science & Technology）擔(dān)任獨(dú)立 PI，創(chuàng)立了集成光電實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有成員十余名，專(zhuān)注于異質(zhì)集成光子芯片的研發(fā)，研究領(lǐng)域涵蓋光計(jì)算，光通信以及激光雷達(dá)等多個(gè)前沿技術(shù)方向。
在國(guó)內(nèi)外合作中，她的課題組與中國(guó)科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合開(kāi)展流片工作，同時(shí)與香港科技大學(xué)教授、希迪智駕創(chuàng)始人李澤湘合作，研發(fā)基于量子點(diǎn)激光器的新型激光雷達(dá)技術(shù)。這種 LiDAR 技術(shù)專(zhuān)門(mén)針對(duì)沙特沙漠的極端環(huán)境設(shè)計(jì)，能夠有效抵抗沙塵干擾，為自動(dòng)駕駛礦卡提供可靠的導(dǎo)航支持。
“沙特的極端炎熱氣候使人工操作極具挑戰(zhàn)性，無(wú)人礦卡的需求非常大。我們的項(xiàng)目致力于為這些無(wú)人礦卡提供高效且穩(wěn)定的技術(shù)支持�！比f(wàn)雅婷說(shuō)道。
此外，她的團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)量子點(diǎn)芯片在尖端領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。除了自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)傳感器，還包括高性能光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。光計(jì)算作為當(dāng)前最具顛覆性潛力的研究領(lǐng)域之一，卻面臨兩大挑戰(zhàn)：其一，傳統(tǒng)的外置激光系統(tǒng)不僅復(fù)雜且龐大；其二，光計(jì)算領(lǐng)域?qū)＜遗c算法專(zhuān)家之間的交流不足，導(dǎo)致光計(jì)算在算法層面的發(fā)展較電計(jì)算仍存在一定差距。
萬(wàn)雅婷團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)高集成度的量子點(diǎn)激光器，有效簡(jiǎn)化了光計(jì)算器件的結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊的光計(jì)算系統(tǒng)提供了新的可能性。這種創(chuàng)新將進(jìn)一步促進(jìn)軟件與硬件的深度融合，為光計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
圖丨萬(wàn)雅婷課題組部分成員合影（來(lái)源：萬(wàn)雅婷）
在 Nature Photonics 上，課題組報(bào)道了一種基于量子點(diǎn)集成的高性能激光器 [4]。該激光器表現(xiàn)出優(yōu)異的無(wú)混沌特性，在低 Q 值外部腔體鎖定下實(shí)現(xiàn)了僅 16 赫茲的洛倫茲線寬。與常規(guī)量子阱激光器相比，其頻率噪聲降低了 1 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為高穩(wěn)定性光源奠定了新標(biāo)準(zhǔn)。
“激光器外置會(huì)導(dǎo)致較大的損耗，并增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。我們的技術(shù)通過(guò)集成量子點(diǎn)激光器，有效減少了這些損耗和復(fù)雜度，這也是我們技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)之一。”萬(wàn)雅婷說(shuō)
（來(lái)源：Nature Photonics、Laser & Photonics Reviews、Light: Science & Applications）
科學(xué)研究常常充滿不確定性，但正是這種不確定性為創(chuàng)新提供了無(wú)限可能。萬(wàn)雅婷引用曾國(guó)藩的話說(shuō)道：“凡物之驟為之而追成焉者，其器小也；物之一覽而易盡者，其中無(wú)有也�！�
她認(rèn)為，迅速完成的研究成果往往缺乏深度和持久價(jià)值，真正具有影響力的技術(shù)突破需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期測(cè)試和驗(yàn)證�！坝袝r(shí)候一項(xiàng)研究可能需要十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能看到成效，這個(gè)過(guò)程中充滿了失敗和挫折。然而，就像長(zhǎng)期的投資一樣，即使面臨黑天鵝事件的損失，理性而分散的長(zhǎng)期投資最終會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定的回報(bào)�！边@種認(rèn)識(shí)使她的工作充滿信念和幸福感。
從磷化銦量子阱外延片到砷化鎵量子點(diǎn)外延片的技術(shù)轉(zhuǎn)變，萬(wàn)雅婷課題組正在為更高性能、更具經(jīng)濟(jì)可行性的光電解決方案開(kāi)辟新路徑。團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將這些高效光源技術(shù)應(yīng)用于 300 毫米直徑晶圓，以支持光通信領(lǐng)域的革新性發(fā)展，同時(shí)為集成量子技術(shù)和下一代光計(jì)算技術(shù)的突破提供基礎(chǔ) [5]。
硅基光電技術(shù)和量子點(diǎn)作為新型光源材料，展現(xiàn)出了解決硅基光電集成中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題的巨大潛力，并預(yù)示著其廣闊的商業(yè)和應(yīng)用前景。在萬(wàn)雅婷看來(lái)，未來(lái)硅基量子點(diǎn)光電技術(shù)在光互連和光計(jì)算方面可能會(huì)是領(lǐng)域的下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。
“我們希望通過(guò)團(tuán)隊(duì)的努力和廣泛的合作，將這些技術(shù)早日廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和量子信息處理等領(lǐng)域�！彼a(bǔ)充道，“這些技術(shù)不僅能顯著提升數(shù)據(jù)傳輸速度和計(jì)算效率，同時(shí)能有效降低能耗，進(jìn)而推動(dòng)信息技術(shù)的全面革新和發(fā)展�！�
參考資料：
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2. Y. Wan, J. Norman, Y. Tong, MJ Kennedy, W. He, J. Selvidge, C. Shang, M. Dumont, A. Malik, H. K. Tsang, A. C. Gossard, and J. E. Bowers*,1.3 m quantum-dot distributed feedback lasers directly grown on (001) Si, Laser & Photonics Reviews. 14 (7), 2070042, (2020).
3. Y. Wan, C. Xiang, J. Guo, R. Koscica, MJ Kennedy, J. Selvidge, Z. Zhang, L. Chang, W. Xie, D.Huang, A. C. Gossard, and J. E. Bowers*,High speed evanescent quantum-dot lasers on Si, Laser & Photonics Reviews 2100057, (2021).
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運(yùn)營(yíng)/排版：劉雅坤、何晨龍
