科學家開發矽基量子點集成光電芯片，兼具高性能和高集成度，為光計算和量子通信等領域提供解決方案

隨著摩亞定律逼近其物理極限，芯片間數據交互的限制成為提高芯片性能的關鍵挑戰。

矽基光電集成技術具有大光學帶寬、低傳輸損耗、低能耗、低成本等優勢，同時具備光信號傳輸的高帶寬和低衰減特性，已被廣泛認為是實現片上光互連的最具潛力的方案。

但由於矽是一種間接帶隙半導體，將它作為有效的光源材料存在局限性。現如今，隨著各類光子集成單元技術的日益成熟，高效的矽基光源已經成為該技術發展的關鍵瓶頸。為滿足大規模生產的需求，在矽襯底上直接集成 III-V 族材料，成為解決矽基光電集成中核心光源問題的理想方案。

與傳統的量子阱材料相比，零維量子點結構因其對位錯缺陷的不敏感性、低閾值電流密度以及能夠在高工作溫度條件下工作等優勢，被認為是矽基外延 III-V 族半導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王科技大學助理教授萬雅婷以矽基量子點光源的潛力為研究重點，將其與矽互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）製造流程結合，助力推動下一代光芯片技術的發展。

她主導開發的矽基量子點光電技術解決了矽光集成的核心光源問題。該技術具備高溫魯棒性、低閾值電流和強抗反射性，為高速大容量光通信、光計算及量子通信提供了高性能和高集成度的解決方案。憑藉一系列創新研究，萬雅婷成為 2023 年度《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」中國入選者之一。

實現高溫魯棒性的高性能光源及矽光片上集成技術的突破

萬雅婷本科畢業於浙江大學光電工程學專業，師從何建軍教授。在學期間，她在微電子和光電子學領域積累了紮實的理論基礎和豐富的實驗經驗。隨著摩亞定律逐漸接近其物理極限，她敏銳地意識到矽基光電集成技術的重要性，並決定將研究重心轉向這一新興領域。

在香港科技大學攻讀博士期間，她師從劉紀美院士，專注於矽基量子點作為有源器件的研究。她回憶道：「當時矽光子學領域發展迅速，矽波導和調製器等矽光器件技術已經相對成熟，但光源問題始終是製約其發展的重要瓶頸。」為此，她與團隊經過多年的研究和探索，成功突破了量子點 III-V 族光電器件外延集成到矽基底的複雜技術難題。

量子點是一種由半導體材料製成的納米晶體，尺寸通常在幾納米範圍內。「量子點被稱為‘人工原子’，因為它通過量子限制效應將電子和空穴約束在一個微小的三維區域內。」她解釋道。

這種限制導致其能級呈離散化特性，類似於原子中的電子能級。通過改變量子點的尺寸，可以精確調控其電子能帶結構，從而調整其發射光的波長。這種特性使得量子點成為實現高效、可調諧激光的重要材料，尤其在矽光子技術中展現出巨大潛力。

通過採用與 CMOS 工藝兼容的 001 晶面的矽片，她創新性地實現了量子點激光器通過外延生長方式直接集成到矽光平台的技術突破。這一方法避免了傳統四度或六度偏離晶面所帶來的工藝限制，顯著提升了器件性能和集成度。相關論文發表在 Optica，並被選為封面論文 [1]。

此外，量子點因其獨特的線寬增強因子小、線寬窄等特性備受關注。這些特性使量子點對反射不敏感，因此在系統中不需要隔離器，從而大大簡化了系統設計，並助力系統的小型化和高集成度。基於這些優勢，萬雅婷及其團隊在矽基激光器和光電檢測器的研發上取得了多項突破。

從定義新性能標準的微腔激光器，到展現出色射頻性能的多波長鎖模激光器；從具備極低暗電流性能的光電檢測器，到無需隔離器的芯片系統，這些成果充分展現了量子點技術在矽基光電領域的巨大潛力，為實現超過 1Tbit/s 的高擴展性和長壽命的矽基接收器奠定了堅實基礎 [2]。

博士畢業後，萬雅婷加入美國加州大學聖巴巴拉分校（UCSB，University of California，Santa Barbara）約翰·E·波爾斯（John E. Bowers）教授團隊，開展了為期 5 年的博士後研究。期間，她進一步拓展了矽基量子點技術的應用，實現了矽基量子點激光器與矽波導無源器件的高度集成，為推動矽光子技術的突破性發展奠定了堅實基礎。

與 Intel 研究中心的合作更是為異質集成技術注入了新動力，她專注於通過 wafer bonding（晶圓鍵合）技術實現量子點激光器與矽光芯片的深度集成。這項工作的關鍵挑戰在於，如何將量子點薄膜成功鍵合到矽芯片上並加工激光器，同時確保量子點的性能不受影響，並維持其他矽光組件（如波導和調製器）的功能完整性。

研究團隊優化了矽晶片的預處理工藝。在激光器所需位置精確開孔後，使用鍵合技術將量子點薄膜無縫連接到矽晶片上。後續的加工過程中，通過高精度光刻工藝實現激光器與矽之間的對準，避免了傳統手動對準可能帶來的誤差。這種全流程確保了光從量子點到矽的的高效傳輸，並通過錐度結構的倏逝波耦合實現了卓越性能。相關論文發表於 Laser & Photonics Reviews，並被選為封面文章 [3]。

「與以往的工作不同，我們不再僅僅將矽作為襯底，而是真正地將激光器與矽光子平台深度集成，使光能夠直接傳輸到矽波導中，形成一個完整的工具平台。」萬雅婷解釋道。「沒有捷徑可走，這是一場反復試驗的持久戰，我們花了五年時間，投入了數千小時的工作來優化設計，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化。」

2024 年，Intel 在其工業實驗室中成功複製了這一工藝，從而突破了大學實驗室的局限性，實現了技術的更廣泛應用。「這為商業化應用邁出了重要一步。」萬雅婷表示。Intel 對提高設備可靠性以及取消隔離器的商業興趣為這項研究提供了重要動力，而該成果也延續了 Intel 與該課題組在量子阱異構激光器上的成功合作。

為高速大容量光通信、光計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，萬雅婷在阿卜杜拉國王科技大學（KAUST，King Abdullah University of Science & Technology）擔任獨立 PI，創立了集成光電實驗室。實驗室現有成員十餘名，專注於異質集成光子芯片的研發，研究領域涵蓋光計算，光通信以及激光雷達等多個前沿技術方向。

在國內外合作中，她的課題組與中國科學院微電子研究所聯合開展流片工作，同時與香港科技大學教授、希迪智駕創始人李澤湘合作，研發基於量子點激光器的新型激光雷達技術。這種 LiDAR 技術專門針對沙特沙漠的極端環境設計，能夠有效抵抗沙塵干擾，為自動駕駛礦卡提供可靠的導航支持。

「沙特的極端炎熱氣候使人工操作極具挑戰性，無人礦卡的需求非常大。我們的項目致力於為這些無人礦卡提供高效且穩定的技術支持。」萬雅婷說道。

此外，她的團隊正在推動量子點芯片在尖端領域的廣泛應用。除了自動駕駛激光雷達傳感器，還包括高性能光學神經網絡。光計算作為當前最具顛覆性潛力的研究領域之一，卻面臨兩大挑戰：其一，傳統的外置激光系統不僅複雜且龐大；其二，光計算領域專家與算法專家之間的交流不足，導致光計算在算法層面的發展較電計算仍存在一定差距。

萬雅婷團隊通過開發高集成度的量子點激光器，有效簡化了光計算器件的結構，為實現更高效、更緊湊的光計算系統提供了新的可能性。這種創新將進一步促進軟件與硬件的深度融合，為光計算領域的發展奠定基礎。

在 Nature Photonics 上，課題組報導了一種基於量子點集成的高性能激光器 [4]。該激光器表現出優異的無混沌特性，在低 Q 值外部腔體鎖定下實現了僅 16 赫茲的洛倫茲線寬。與常規量子阱激光器相比，其頻率噪聲降低了 1 個數量級以上，為高穩定性光源奠定了新標準。

「激光器外置會導致較大的損耗，並增加系統的複雜度。我們的技術通過集成量子點激光器，有效減少了這些損耗和複雜度，這也是我們技術的主要優勢之一。」萬雅婷說。

圖丨矽基量子點激光器的設計與製作（來源：Nature Photonics、Laser & Photonics Reviews、Light: Science & Applications）

科學研究常常充滿不確定性，但正是這種不確定性為創新提供了無限可能。萬雅婷引用曾國藩的話說道：「凡物之驟為之而追成焉者，其器小也；物之一覽而易盡者，其中無有也。」

她認為，迅速完成的研究成果往往缺乏深度和持久價值，真正具有影響力的技術突破需要經過長期測試和驗證。「有時候一項研究可能需要十年甚至更長的時間才能看到成效，這個過程中充滿了失敗和挫折。然而，就像長期的投資一樣，即使面臨黑天鵝事件的損失，理性而分散的長期投資最終會帶來穩定的回報。」這種認識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镓量子點外延片的技術轉變，萬雅婷課題組正在為更高性能、更具經濟可行性的光電解決方案開闢新路徑。團隊的目標是將這些高效光源技術應用於 300 毫米直徑晶圓，以支持光通信領域的革新性發展，同時為集成量子技術和下一代光計算技術的突破提供基礎 [5]。

矽基光電技術和量子點作為新型光源材料，展現出瞭解決矽基光電集成中長期存在的問題的巨大潛力，並預示著其廣闊的商業和應用前景。在萬雅婷看來，未來矽基量子點光電技術在光互連和光計算方面可能會是領域的下一個爆發點。

「我們希望通過團隊的努力和廣泛的合作，將這些技術早日廣泛應用於數據中心、高性能計算和量子信息處理等領域。」她補充道，「這些技術不僅能顯著提升數據傳輸速度和計算效率，同時能有效降低能耗，進而推動信息技術的全面革新和發展。」

1. Y. Wan, J. Norman, Q. Li, MJ. Kennedy, D. Liang, C. Zhang, D. Huang, Z. Zhang, A. Y. Liu, A. Torres, D. Jung, A. C. Gossard, E. L. Hu, K. M. Lau, and J. E. Bowers*,1.3 µm submilliamp threshold quantum dot micro-lasers on Si, Optica, 4(8), 940-944 (2017). 

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 µm 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).

4. Dong, B., Wan, Y. *, Chow, W.W. et al. Turnkey locking of quantum-dot lasers directly grown on Si. Nature Photonics 18, 669–676 (2024). 

5. Z. Zhou, X. Ou, Y. Fang, E. Alkhazraji, R. Xu, Y. Wan*, J. E. Bowers*,Prospects and applications of on-chip lasers, elight 3 (1), 1-25, (2023).

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