在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)領域，Intel 作為唯一掌握異質(zhì)集成硅光子技術的行業(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，為了服務高性能計算和人工智能運算產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)量，光電協(xié)同封裝技術方興未艾。而基于異質(zhì)集成技術的光電子芯片，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域，Meta、微軟等互聯(lián)網(wǎng)巨頭以及思科等網(wǎng)絡解決方案提供商都在提前布局。與此同時，在該領域已經(jīng)出現(xiàn)了多家初創(chuàng)公司。

香港大學電機與電子工程系助理教授向超以異質(zhì)光子集成、硅光子學、半導體激光器和光子集成電路為研究方向，并主導研發(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光電學院學習，積累了光電子領域研究的知識基礎。在香港中文大學信息工程系取得碩士學位后，赴加州大學圣塔芭芭拉分校讀博，師從國際硅基光電子學的奠基人之一約翰·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現(xiàn)全新的集成光電子器件，攻克集成光子芯片領域近 10 年來的一項里程碑目標，將半導體激光器和非線性光頻梳在同一芯片上實現(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。

在國際上首次實現(xiàn)全新的集成光電子器件

傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)基于分離的光學器件，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，例如可重復性、能耗、可靠性、價格等。

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

在眾多應用中，集成光電子學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現(xiàn)的光學功能。這些功能主要包括激光光源生成、光信號調(diào)制與探測、低損耗高 Q 值諧振等。同時，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。他與合作者采用多層異質(zhì)集成技術，成功實現(xiàn)了一種新的集成光電子器件，在一個 4 英寸的硅基襯底上，采用互補金屬氧化物半導體兼容的半導體工藝，實現(xiàn)了半導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提供了高性能三五族激光光源。

相關研究以《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 雜志當期 THIS WEEK IN SCIENCE 專欄重點介紹該項“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平臺，雖然提供了微腔孤子光頻梳等在測量、通信、傳感領域具有極佳應用前景的技術，卻無法單片集成激光器、放大器、探測器，導致應用場景受到限制，而多層異質(zhì)集成技術突破了這種局限。

另一方面，作為傳統(tǒng)三五族半導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諧振腔之后，在相關性能指標上接近并超越昂貴的光纖激光器。

圖丨整個工藝流程在一片 4 寸硅基晶圓上完成（來源：Science）

該技術還被應用于制造首個單片集成的激光-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、光學對準封裝。向超表示：“該技術為低成本、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)、微波光子學等領域發(fā)揮實際意義的作用?！?/p>

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

研制出世界上首個和氮化硅波導異質(zhì)單片集成的半導體激光器

一項研究的突破，和研究者此前的技術積累和經(jīng)驗儲備密不可分。

如何在氮化硅平臺實現(xiàn)激光器？這是向超首個負責的科研課題。正是這個課題的完成，為前文提及的“在單個硅光器件集成激光與光頻梳”研究奠定了堅實的基礎。

該研究的主要突破在于，首次實現(xiàn)了不需要光學封裝、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，雖然可以實現(xiàn)集成光子學器件并實現(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。但實際上最初很多人都不太看好該方法，因為工藝流程的難度非常大，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。

為實現(xiàn)第一個激光器從 0 到 1 的工作，他用了整整兩年時間。緊接著，僅半年時間，便獲得了性能很好的激光器?！斑@項研究相當于打開了該方向的一扇大門，實現(xiàn)第一個激光器后，我就意識到，之后會解鎖一系列此前無法實現(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，避免了昂貴光學封裝的不穩(wěn)定性。

該研究在許多領域的應用具備實際意義，例如高精度傳感、量子信息、微波光子學等。向超認為，該研究可推動這些技術以低價的方式，從實驗室的研究走向大規(guī)模的應用場景。

談及取得系列創(chuàng)新成果的“秘笈”，向超表示：“攻克棘手的技術難題難免要經(jīng)歷長時間的失敗與堅持，首先需要有‘坐冷板凳’的心態(tài)，然后再將研究成果作為對當初的勇敢與堅持的一種獎勵?！?/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‘新’的意義。對我而言，創(chuàng)新是一切科研工作的最大驅(qū)動力、指路明燈。”

勇闖科研的“無人區(qū)”

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

實際上，向超對領域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直“耳濡目染”。他的導師鮑爾斯教授直接參與了 Intel早期異質(zhì)集成技術的研發(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)在同時還在領導另外兩家專研異質(zhì)集成技術的硅光子公司。

他一直在思考技術與產(chǎn)業(yè)的關系，計劃將技術儲備到一定階段后，將新興的細分領域推向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并對硅光子芯片在“后摩爾時代”的芯片互聯(lián)，以及在生物健康方面的應用高度關注。

“下一代異質(zhì)集成技術，會在傳感、微波等領域產(chǎn)生巨大的實用價值，有望使傳統(tǒng)需要貴重實驗室儀器才能實現(xiàn)的光學應用，以集成芯片化的方式低能耗、低價格、大規(guī)模地實現(xiàn)。我期待在不久的將來能夠孵化多層異質(zhì)集成技術，將相關的成果產(chǎn)業(yè)化，追趕世界領先的光電集成芯片技術，創(chuàng)造這項技術的實用價值?！彼f。

不止于部分器件的集成化，向超希望最終實現(xiàn)整個光學系統(tǒng)的光學功能，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?！斑@是我最希望看到的技術落地，因為這代表著光子技術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。”

向超的導師鮑爾斯教授曾說過一句話讓他記憶猶新，衡量一個博士生是否優(yōu)秀的標準之一，是在他畢業(yè)時，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。

“在我成為博士生導師后，也鼓勵我的學生們勇闖科研的‘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。”他說。

審核編輯 ：李倩