将量子点激光器引入硅光，80℃下寿命可达100万小时，UCSB 90后女博士最新研究成果
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“快 10 年前刚入行时有幸认识了厉鼎毅老师，十年后获得了以他名字命名的纪念奖。” 万雅婷告诉 DeepTech。
厉鼎毅生前是万雅婷本科母校浙江大学的名誉教授，被誉为 “光纤通信波分复用之父”，曾用一篇论文 “定义了一个领域”。
图 | 万雅婷（来源：受访者）
在颁奖那天，她在 2021 CLEO Plenary Talk 上看到厉老师的照片一闪而过，心里感慨万千，能得到这一奖项，也是对她的最大勉励。
从在香港科技大学读博士五年级开始，万雅婷就受邀来到加州大学圣塔芭芭拉分校材料 & 电气和计算机工程系教授约翰・鲍尔斯（John Bowers）课题组做访问学生，博士毕业后又在这里做博后研究，迄今已近五年。
图 | 万雅婷的博后导师约翰・鲍尔斯（来源：YouTube截图）
前不久，她与同校的向超博士作为共同第一作者撰写的论文《硅上的高速消失量子点激光器》（High Speed Evanescent Quantum-Dot Lasers on Si）也成为 Laser & Photonics Reviews 当期封面论文，同时也是这位 90 后学者的第 7 篇一作封面论文。
图 | 发表在 Laser & Photonics Reviews 的论文（来源：受访者）
和这篇论文背靠背发表的，还有她与尚晨博士生、Eamonn Hughes 博士生以共同一作身份撰写的论文《高温可靠的硅量子点激光器》（High-temperature reliable quantum-dot lasers on Si with misfit and threading dislocation filters），论文发表在 Optica 上。
图 | Optica 当期封面论文（来源：受访者）
如何实现硅基激光器，是这两篇论文的共同要点。低能耗、低成本、大光学带宽和低传输损耗，是硅基光电集成技术的优点。
不过，硅的发光效率较低，这会让硅基光电集成缺少核心光源，所以很难实现硅基激光器。
因此，寻找具有直接带隙、以及具备良好光电学性质的材料，便成为当务之急。这时，III-V 族半导体激光器映入科学家的眼帘，让它和硅平台集中在同一个硅晶圆，即可解决上述难题。
此前，万雅婷的博士后导师鲍尔斯，曾率先提出并研发了 Wafer/Die Bonding 方案。
方案内容是：通过低温氧分子等离子键合技术，将 III-V 裸芯片键合到硅光芯片上，后续再对裸芯片进行加工形成激光器，即可绕开第一代倒装芯片方案中耦合效率不够高、以及对准调节时间长等问题。日后，鲍尔斯的这一方案直接催生出三家初创企业。
然而，万雅婷告诉 DeepTech，该方案有两个制约因素：其一，依然受制于 III-V 族衬底的使用，限制了成本的进一步降低；其二，目前主流研究和主流产品使用的有源区材料是量子阱，其在高温工作、低能耗温等方面仍有一定局限性。
针对该诉求，她作为鲍尔斯教授课题组核心成员，致力于通过硅材料直接外延 III-V 材料的方式、来实现单片集成。其表示，该方案更适合大尺寸生长和大批量生产，也是解决硅基光电集成缺少核心光源的这一难题的理想方案。
不同于传统研究采用量子阱材料，万雅婷等人采用的纳米尺度零维量子点结构，不仅对位错缺陷比较钝感，且具备低阈值电流密度、高工作温度等性能。
她告诉 DeepTech，2016 年她还在鲍尔斯组做博士访问生，当时她和团队在硅基平台上制备出多项高性能、高集成度的硅基量子点激光器，并获得了亚波长硅基量子点微盘激光器及低阈值硅基量子点电注入微环激光器，相关论文分别成为 Applied Physics Letters 和 Optica 的当期封面。
图 | Optica 当期封面（来源：Optica 4 (8), 940-944，2017）
再接再厉，克服两大新难题
科研之路从来不会一帆风顺，经过几年后，该方案又遇到两大瓶颈：
第一，当前的硅衬底只能起到衬底作用，研究成果也局限于单一器件的性能提升。如何从单一分立器件、扩展到面向片上光互联的硅基光电器件集成，如何实现多种材料和新机理在硅基平台上的融合，如何将量子点器件上的光、导入硅波导实现真正的硅光，如何形成完整的光产生、传输、调制、处理和探测，仍然是尚未攻克的难题。
第二，硅上外延生长的量子阱激光器只有 200 小时的工作寿命，而硅上量子点激光器在万雅婷等人的历史工作中，已实现室温下 100 万小时的使用寿命。即便如此也依然不够，目前数据中心的工作温度是 80℃。
因此，对于数据中心等对温度要求苛刻的系统来说，稳定的高工作温度可让激光器在无制冷的情况下工作，从而减少温度控制部分，进而大幅减少激光器模块的尺寸和功耗。而如何在 80℃ 高温下，保证激光器的稳定工作是另一大难题。
针对这两项难题，万雅婷所在课题组和一家芯片巨头进行合作，希望延续此前量子阱键合技术十年产业化的成功，以便将硅光技术推上一个新的高峰。
具体来说，近日万雅婷、向超、Joel Guo 等人发表在 Laser & Photonics Reviews 封面的论文《硅上的高速量子点激光器》，解决了第一项难题。
图 | 器件工作原理图（来源：Laser & Photonics Reviews，2100057）
她表示，尽管硅基量子点激光器分立器件的研究，以及量子阱器件通过晶圆键合、在硅上实现片上集成的研究，都已获得长足发展，但将两者进行结合的研究，基本处于 “无人区”。
故此在该研究中，她将第三代异质集成方案与第二代异质集成方案相结合，在外延生长量子点的基础上，引入晶圆键合的步骤，从而让电泵浦产生的量子点激光模场与硅波导产生重叠。再通过锥型波导，将光场逐渐转移从量子点增益介质转移到硅波导。
图 | 工艺流程（来源：Laser & Photonics Reviews，2100057）
通过低损耗的硅波导传输，该团队获得了高性能分布式反馈激光器。万雅婷表示，通过低损耗的硅波导传输、以及硅波导结构的设计，相比异质集成量子阱激光器和分立量子点激光器器件，这款硅基异质集成量子点激光器获得了以上两者均无法媲美的性能。
图 | 硅基量子点激光器带宽及线宽（来源：Laser & Photonics Reviews，2100057）
事实上，将硅光与量子点激光器结合，不仅具有显著的低成本优势，更兼具两者协同效应所带来的性能优势，为困扰硅光技术的进一步发展提供了具有大规模产业应用前景的解决方案。
而万雅婷作为共同第一作者，联合尚晨、Eamonn Hughes 等合作伙伴，于近日在 Optica 上发表的《高温可靠的硅量子点激光器》论文，正是前述第二个难题的解决方案。
据她介绍，硅基 III-V 族材料的外延生长，受限于 III-V 族和硅的极性不同、晶格失配和热膨胀系数差异，因此会出现反相畴、穿透位错和微裂缝等材料缺陷问题，进而会对器件寿命和工作性能产生严重影响。
图 | 硅基 III-V 族材料外延材料结构（来源：Optica 8 (5), 749-754）
在该研究中，一方面，她和团队通过非对称缓变过滤层，将材料位错密度降低到接近于极限值的量级。
另一方面，通过捕获层的使用、将剩余的材料缺陷控制在有源区之外。寿命测试的最新结果显示，在 4000 小时的 80℃ 高温测试环境中，器件仅显示出 6.8% 的阈值电流变化。
图 | 硅上量子点激光器器件寿命测试（来源：受访者）
万雅婷表示，这意味着该器件拥有高达一百万小时的器件寿命，完全能满足数据中心等环境温度苛刻的系统稳定工作。
针对硅基光源和硅基集成技术这两大领域内核心问题，万雅婷等人通过上述两项研究，实现了高温鲁棒性的高性能光源及硅光片上集成。
她表示这两项研究的意义在于，其一器件寿命终于能达到较高程度，其二终于可以把量子点有源器件与硅光结合在一起。她希望量子激光器能从学术研究成为真正的产品，也期待把该技术推向半导体学术界和产业界。
如今可取得一定成果，也和万雅婷在港科大的求学经历密不可分，她也十分眷念那里的人事物。
在港科大接受全英教育，助力日后异国求学
万雅婷是四川德阳人，生于 1990 年。2012 年 6 月，万雅婷本科毕业于浙江大学光电科学与工程学院，后赴香港科技大学学习电子工程，并取得博士学位。
在港科大读书期间，在其导师刘纪美教授的带领下，她和团队研制出了硅衬底微型镭射器。
图 | 万雅婷和博士导师刘纪美（来源：资料图）
她曾这样评价导师刘纪美：“从事业、家庭到个人生活，她都是我的榜样。在那个工程研究以男性为中心、性别偏见比现在更严重的年代，刘教授在照顾家人的同时，也因为她的工作而获得了国际认可。” 而港科大依山靠海的环境，也常常让她在图书馆一边学习一边看海。
图 | 港科大校园（来源：国际日报）
博后期间，来到美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）教授材料 & 电气和计算机工程系教授约翰・鲍尔斯（JohnBowers）课题组做研究，并得到了后者的高度评价。
图 | 万雅婷在鲍尔斯课题组（来源：受访者）
截止目前，万雅婷论文总共引用次数 1434 次，单篇最高引用 119 次，其第一作者成果五年内 7 次被选期刊封面，同时还担任 Nature 旗下期刊 Light: Science & Applications、Scientific Reports，以及 OSA 期刊 Optics Letters 等 12 种外文期刊的审稿人。
此外，她很感恩于在港科大接受到的全英文教育，这也帮助她适应了目前在美国的工作和学习。
展望未来，她说：“不想成为将军的士兵不是好士兵。同样，不梦想有所作为的博士生也不是杰出的学生。我渴望能一直在大学校园中，和一群有理想的年轻学生们一起探索未来，永远保持着喷薄欲破晓的朝气。”
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