15年前，加州大學聖巴巴拉分校電氣和材料教授約翰·鮑爾斯（John Bowers）開創了一種將 鐳射器 整合到矽片上的方法。此後，該技術與其他矽光子學裝置一起被廣泛部署，以取代以前連線資料中心伺服器的銅線互連，極大地提高了能源效率。在資料流量每年大約增長25%的情況下，這無疑是一項重要的工作。

在過去幾年來，鮑爾斯帶領的科研團隊一直和 瑞士聯邦理工學院 （EPFL）的Tobias J。Kippenberg小組合作，參與了國防預先研究計劃局（DARPA）的直接片上數字光學合成器（DODOS）專案。Kippenberg小組發現了“微梳”（microcombs），即一系列平行、低噪音、高度穩定的鐳射線。鐳射microcombs的許多條線中的每一條都可以攜帶資訊，廣泛地倍增了單個鐳射器可以傳送的資料量。

此前有幾個團隊已經將 半導體鐳射器 晶片和一個獨立的 氮化矽 環形共振器晶片非常接近地放置在一起，展示了非常緊湊的microcombs。不過鐳射器和 諧振器 仍然需要獨立製造，然後在彼此接近的地方進行完全對齊，這是一個昂貴和耗時的過程，因此無法擴充套件。

Bowers實驗室與Kippenberg實驗室合作，開發了一個整合的片上半導體鐳射器和諧振器，能夠產生一個鐳射microcombs。發表在新一期《Science》雜誌上的一篇題為《Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon》的論文，描述了實驗室在成為第一個實現這一目標方面的成功。

孤子微梳（Solitonmicrocombs）是一種光學頻率梳，它發射出相互相干的鐳射線——也就是說，這些鐳射線彼此之間處於恆定不變的相位。該技術被應用於光學計時、計量和感測領域。最近的現場演示包括每秒多位元的光通訊、超快光探測和測距（LiDAR）、神經形態計算和用於行星搜尋的 天體物理 光譜儀校準，僅舉幾例。這是一個強大的工具，通常需要特別高的功率和昂貴的鐳射器以及複雜的光學 耦合 才能發揮作用。

這項研究使半導體鐳射器能夠與低損耗的非線性光學微諧振器無縫整合——“低損耗”是因為光可以在波導中傳播而不會因距離而損失大量的強度。不需要光學耦合，而且該裝置完全由電子控制。重要的是，這項新技術適合於商業規模的生產，因為使用 行業標準 的互補金氧半導體（CMOS）相容技術，可以在一塊晶圓上製造出成千上萬的裝置。“研究人員說：”我們的方法為大批次、低成本製造基於晶片的 頻率梳 鋪平了道路，用於下一代大容量收發器、資料中心、太空和移動平臺。

製造該裝置的關鍵挑戰是，半導體鐳射器和產生梳狀物的諧振器必須建立在不同的材料平臺上。鐳射器只能用元素週期表上III族和V族的材料製造，如 磷化銦 ，而最好的microcombs只能用氮化矽製造。該論文的主要作者Chao Xiang解釋道：“我們必須找到一種方法，將它們放在一塊晶圓上”。

在同一塊晶圓上連續工作，研究人員利用UCSB的異質整合工藝在矽襯底上製造高效能鐳射器，以及他們的EPFL合作者使用他們開發的“光子大馬士革工藝”製造記錄超低損耗高Q值氮化矽微諧振器的能力。晶圓規模的工藝——與製作單個器件然後逐一組合的工藝相反——能夠用一個直徑100毫米的晶圓製作數千個器件，這一生產水平可以在工業標準的200毫米或300毫米直徑的基片上進一步擴大。

為了使該裝置正常工作，必須控制鐳射器、諧振器和它們之間的光相位，以建立一個基於“自射鎖定”現象的耦合系統。Xiang解釋說，鐳射器的輸出部分被微型諧振器反向反射。當來自鐳射器的光和來自諧振器的背反射光之間達到一定的相位條件時，鐳射器被稱為鎖定在諧振器上。

Xiang解釋說，目前的microcombs產生了大約二十到三十條可用的microcombs線，未來的目標將是增加這個數字，“希望能從每個鐳射共振器中獲得一百條組合線，而且 功耗 低”。