九零后女生聯(lián)合研發(fā)將量子點(diǎn)激光器引入硅光

“快10年前剛?cè)胄袝r(shí)有幸認(rèn)識了厲鼎毅老師， 十年后獲得了以他名字命名的紀(jì)念獎?！比f雅婷表示。

厲鼎毅生前是萬雅婷本科母校浙江大學(xué)的名譽(yù)教授，被譽(yù)為“光纖通信波分復(fù)用之父”，曾用一篇論文“定義了一個領(lǐng)域”。

在頒獎那天，她在2021 CLEO PlenaryTalk上看到厲老師的照片一閃而過，心里感慨萬千，能得到這一獎項(xiàng)，也是對她的最大勉勵。

從在中國香港科技大學(xué)讀博士五年級開始，萬雅婷就受邀來到加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校材料&電氣和計(jì)算機(jī)工程系教授約翰·鮑爾斯課題組做訪問學(xué)生，博士畢業(yè)后又在這里做博后研究，迄今已近5年。

前不久， 她與同校的向超博士作為共同第一作者撰寫的論文《硅上的高速消失量子點(diǎn)激光器》也成為Laser & Photonics Reviews當(dāng)期封面論文，同時(shí)也是這位九零后學(xué)者的第7篇一作封面論文。

和這篇論文背靠背發(fā)表的， 還有她與尚晨博士生、Eamonn Hughes博士生以共同一作身份撰寫的論文《高溫可靠的硅量子點(diǎn)激光器》，論文發(fā)表在Optica上。

如何實(shí)現(xiàn)硅基激光器，是這兩篇論文的共同要點(diǎn)。低能耗、低成本、大光學(xué)帶寬和低傳輸損耗，是硅基光電集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

不過，硅的發(fā)光效率較低，這會讓硅基光電集成缺少核心光源，所以很難實(shí)現(xiàn)硅基激光器。

因此，尋找具有直接帶隙、以及具備良好光電學(xué)性質(zhì)的材料，便成為當(dāng)務(wù)之急。這時(shí)，I I I - V族半導(dǎo)體激光器映入科學(xué)家的眼簾，讓它和硅平臺集中在同一個硅晶圓，即可解決上述難題。

此前，萬雅婷的博士后導(dǎo)師鮑爾斯，曾率先提出并研發(fā)了Wafer/Die Bonding方案。

針對該訴求，她作為鮑爾斯教授課題組核心成員，致力于通過硅材料直接外延I I I - V材料的方式、來實(shí)現(xiàn)單片集成。其表示，該方案更適合大尺寸生長和大批量生產(chǎn)，也是解決硅基光電集成缺少核心光源的這一難題的理想方案。

不同于傳統(tǒng)研究采用量子阱材料，萬雅婷等人采用的納米尺度零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，不僅對位錯缺陷比較鈍感，且具備低閾值電流密度、高工作溫度等性能。

她表示，2016年她還在鮑爾斯組做博士訪問生，當(dāng)時(shí)她和團(tuán)隊(duì)在硅基平臺上制備出多項(xiàng)高性能、高集成度的硅基量子點(diǎn)激光器，并獲得了亞波長硅基量子點(diǎn)微盤激光器及低閾值硅基量子點(diǎn)電注入微環(huán)激光器， 相關(guān)論文分別成為Applied Physics Letters和Optica的當(dāng)期封面。

因此，對于數(shù)據(jù)中心等對溫度要求苛刻的系統(tǒng)來說，穩(wěn)定的高工作溫度可讓激光器在無制冷的情況下工作，從而減少溫度控制部分，進(jìn)而大幅減少激光器模塊的尺寸和功耗。而如何在80攝氏度高溫下，保證激光器的穩(wěn)定工作是另一大難題。

針對這兩項(xiàng)難題，萬雅婷所在課題組和一家芯片巨頭進(jìn)行合作，希望延續(xù)此前量子阱鍵合技術(shù)十年產(chǎn)業(yè)化的成功，以便將硅光技術(shù)推上一個新的高峰。

她表示，盡管硅基量子點(diǎn)激光器分立器件的研究，以及量子阱器件通過晶圓鍵合、在硅上實(shí)現(xiàn)片上集成的研究，都已獲得長足發(fā)展，但將兩者進(jìn)行結(jié)合的研究，基本處于“無人區(qū)”。

故此在該研究中，她將第三代異質(zhì)集成方案與第二代異質(zhì)集成方案相結(jié)合，在外延生長量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 引入晶圓鍵合的步驟，從而讓電泵浦產(chǎn)生的量子點(diǎn)激光模場與硅波導(dǎo)產(chǎn)生重疊。再通過錐型波導(dǎo)，將光場逐漸轉(zhuǎn)移從量子點(diǎn)增益介質(zhì)轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)。

通過低損耗的硅波導(dǎo)傳輸，該團(tuán)隊(duì)獲得了高性能分布式反饋激光器。萬雅婷表示，通過低損耗的硅波導(dǎo)傳輸、以及硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，相比異質(zhì)集成量子阱激光器和分立量子點(diǎn)激光器器件，這款硅基異質(zhì)集成量子點(diǎn)激光器獲得了以上兩者均無法媲美的性能。

事實(shí)上，將硅光與量子點(diǎn)激光器結(jié)合，不僅具有顯著的低成本優(yōu)勢，更兼具兩者協(xié)同效應(yīng)所帶來的性能優(yōu)勢，為困擾硅光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了具有大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景的解決方案。

而萬雅婷作為共同第一作者，聯(lián)合尚晨、E a m o n n H u g h e s 等合作伙伴， 于近日在Optica上發(fā)表的《高溫可靠的硅量子點(diǎn)激光器》論文，正是前述第二個難題的解決方案。

據(jù)她介紹， 硅基I I I - V族材料的外延生長，受限于III-V族和硅的極性不同、晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異，因此會出現(xiàn)反相疇、穿透位錯和微裂縫等材料缺陷問題，進(jìn)而會對器件壽命和工作性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在該研究中，一方面，她和團(tuán)隊(duì)通過非對稱緩變過濾層，將材料位錯密度降低到接近于極限值的量級。

另一方面，通過捕獲層的使用、將剩余的材料缺陷控制在有源區(qū)之外。壽命測試的最新結(jié)果顯示，在4000小時(shí)的80攝氏度高溫測試環(huán)境中，器件僅顯示出6.8%的閾值電流變化。

萬雅婷表示，這意味著該器件擁有高達(dá)一百萬小時(shí)的器件壽命，完全能滿足數(shù)據(jù)中心等環(huán)境溫度苛刻的系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

針對硅基光源和硅基集成技術(shù)這兩大領(lǐng)域內(nèi)核心問題，萬雅婷等人通過上述兩項(xiàng)研究，實(shí)現(xiàn)了高溫魯棒性的高性能光源及硅光片上集成。

她表示這兩項(xiàng)研究的意義在于，其一器件壽命終于能達(dá)到較高程度，其二終于可以把量子點(diǎn)有源器件與硅光結(jié)合在一起。她希望量子激光器能從學(xué)術(shù)研究成為真正的產(chǎn)品，也期待把該技術(shù)推向半導(dǎo)體學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界。

如今可取得一定成果，也和萬雅婷在港科大的求學(xué)經(jīng)歷密不可分，她也十分眷念那里的人事物。

在港科大接受全英教育，助力日后異國求學(xué)

萬雅婷是四川德陽人， 生于1990年。2012年6月，萬雅婷本科畢業(yè)于浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院，后赴香港科技大學(xué)學(xué)習(xí)電子工程，并取得博士學(xué)位。

在港科大讀書期間，在其導(dǎo)師劉紀(jì)美教授的帶領(lǐng)下，她和團(tuán)隊(duì)研制出了硅襯底微型激光器。

她曾這樣評價(jià)導(dǎo)師劉紀(jì)美：“從事業(yè)、家庭到個人生活，她都是我的榜樣。在那個工程研究以男性為中心、性別偏見比現(xiàn)在更嚴(yán)重的年代，劉教授在照顧家人的同時(shí)，也因?yàn)樗墓ぷ鞫@得了國際認(rèn)可?！倍袊劭拼笠郎娇亢５沫h(huán)境，也常常讓她在圖書館一邊學(xué)習(xí)一邊看海。

博后期間，來到美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）教授材料&電氣和計(jì)算機(jī)工程系教授約翰·鮑爾斯課題組做研究，并得到了后者的高度評價(jià)。

截止目前， 萬雅婷論文總共引用次數(shù)1434次，單篇最高引用119次，其第一作者成果五年內(nèi)7 次被選期刊封面， 同時(shí)還擔(dān)任N a t u r e 旗下期刊L i g h t ： S c i e n c e &Applications、Scientific Reports，以及OSA期刊Optics Letters等12種外文期刊的審稿人。

此外，她很感恩于在中國港科大接受到的全英文教育，這也幫助她適應(yīng)了目前在美國的工作和學(xué)習(xí)。

展望未來，她說：“不想成為將軍的士兵不是好士兵。同樣，不夢想有所作為的博士生也不是杰出的學(xué)生。我渴望能一直在大學(xué)校園中，和一群有理想的年輕學(xué)生們一起探索未來，永遠(yuǎn)保持著朝氣。”