集成片上光源

（摘录自《全球工程前沿2022》，中国工程院全球工程前沿项目组编）

随着后摩尔时代的到来，集成电路正向着集成光子芯片的方向过渡，目的是实现光子产生以及超高速传输、处理和探测。在集成光子芯片领域，如何将光源集成在芯片上是一大难题。利用成熟的CMOS工艺可批量大规模生产硅基光电子芯片，但硅是间接带隙半导体，出光效率较差。

为了在片上集成发光器件，可采用载流子注入技术提高硅的发光强度，利用多晶硅的反向偏置 PN结结合雪崩倍增现象产生可见光和红外光；另一种方法是将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器通过晶圆键合或外延生长的方式单片或异质集成在硅晶圆上，目前磷化铟、氮化硅、铟镓砷等材料在硅晶圆上的集成技术已经成熟并实现商业化。

最近，片上集成光源领域有如下一些新的发展趋势和方向：第一，多材料融合光电芯片，即按照集成光子芯片的功能划分，将相应多种半导体材料集成在一个芯片上，可大大提高芯片的功能化和适用性；第二，针对片上光源多波长输出的迫切需求，采用光参量振荡集成的方法，通过微弱泵浦光和微腔中材料的非线性效应，在片上实现波长的高效非线性转换；第三，利用片上光源结合光频梳技术，实现多个频率激光梳的片上光谱输出，在光原子钟和片上精密检测领域应用广泛；第四，光量子芯片中的单光子量子源的集成，采用量子点或色心光源实现多功能光量子芯片。