九零后女生聯合研發將量子點激光器引入硅光

“快10年前剛入行時有幸認識了厲鼎毅老師， 十年后獲得了以他名字命名的紀念獎?！比f雅婷表示。

厲鼎毅生前是萬雅婷本科母校浙江大學的名譽教授，被譽為“光纖通信波分復用之父”，曾用一篇論文“定義了一個領域”。

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，也是對她的最大勉勵。

從在中國香港科技大學讀博士五年級開始，萬雅婷就受邀來到加州大學圣塔芭芭拉分校材料&電氣和計算機工程系教授約翰·鮑爾斯課題組做訪問學生，博士畢業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激光器》也成為Laser & Photonics Reviews當期封面論文，同時也是這位九零后學者的第7篇一作封面論文。

和這篇論文背靠背發表的， 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激光器》，論文發表在Optica上。

如何實現硅基激光器，是這兩篇論文的共同要點。低能耗、低成本、大光學帶寬和低傳輸損耗，是硅基光電集成技術的優點。

不過，硅的發光效率較低，這會讓硅基光電集成缺少核心光源，所以很難實現硅基激光器。

因此，尋找具有直接帶隙、以及具備良好光電學性質的材料，便成為當務之急。這時，I I I - V族半導體激光器映入科學家的眼簾，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，萬雅婷的博士后導師鮑爾斯，曾率先提出并研發了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、來實現單片集成。其表示，該方案更適合大尺寸生長和大批量生產，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結構，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，當時她和團隊在硅基平臺上制備出多項高性能、高集成度的硅基量子點激光器，并獲得了亞波長硅基量子點微盤激光器及低閾值硅基量子點電注入微環激光器， 相關論文分別成為Applied Physics Letters和Optica的當期封面。

因此，對于數據中心等對溫度要求苛刻的系統來說，穩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，保證激光器的穩定工作是另一大難題。

針對這兩項難題，萬雅婷所在課題組和一家芯片巨頭進行合作，希望延續此前量子阱鍵合技術十年產業化的成功，以便將硅光技術推上一個新的高峰。

她表示，盡管硅基量子點激光器分立器件的研究，以及量子阱器件通過晶圓鍵合、在硅上實現片上集成的研究，都已獲得長足發展，但將兩者進行結合的研究，基本處于“無人區”。

故此在該研究中，她將第三代異質集成方案與第二代異質集成方案相結合，在外延生長量子點的基礎上， 引入晶圓鍵合的步驟，從而讓電泵浦產生的量子點激光模場與硅波導產生重疊。再通過錐型波導，將光場逐漸轉移從量子點增益介質轉移到硅波導。

通過低損耗的硅波導傳輸，該團隊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傳輸、以及硅波導結構的設計，相比異質集成量子阱激光器和分立量子點激光器器件，這款硅基異質集成量子點激光器獲得了以上兩者均無法媲美的性能。

事實上，將硅光與量子點激光器結合，不僅具有顯著的低成本優勢，更兼具兩者協同效應所帶來的性能優勢，為困擾硅光技術的進一步發展提供了具有大規模產業應用前景的解決方案。

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

據她介紹， 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差異，因此會出現反相疇、穿透位錯和微裂縫等材料缺陷問題，進而會對器件壽命和工作性能產生嚴重影響。

在該研究中，一方面，她和團隊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之外。壽命測試的最新結果顯示，在4000小時的80攝氏度高溫測試環境中，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一百萬小時的器件壽命，完全能滿足數據中心等環境溫度苛刻的系統穩定工作。

針對硅基光源和硅基集成技術這兩大領域內核心問題，萬雅婷等人通過上述兩項研究，實現了高溫魯棒性的高性能光源及硅光片上集成。

她表示這兩項研究的意義在于，其一器件壽命終于能達到較高程度，其二終于可以把量子點有源器件與硅光結合在一起。她希望量子激光器能從學術研究成為真正的產品，也期待把該技術推向半導體學術界和產業界。

如今可取得一定成果，也和萬雅婷在港科大的求學經歷密不可分，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

萬雅婷是四川德陽人， 生于1990年。2012年6月，萬雅婷本科畢業于浙江大學光電科學與工程學院，后赴香港科技大學學習電子工程，并取得博士學位。

在港科大讀書期間，在其導師劉紀美教授的帶領下，她和團隊研制出了硅襯底微型激光器。

她曾這樣評價導師劉紀美：“從事業、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、性別偏見比現在更嚴重的年代，劉教授在照顧家人的同時，也因為她的工作而獲得了國際認可?！倍袊劭拼笠郎娇亢５沫h境，也常常讓她在圖書館一邊學習一邊看海。

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

截止目前， 萬雅婷論文總共引用次數1434次，單篇最高引用119次，其第一作者成果五年內7 次被選期刊封面， 同時還擔任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，這也幫助她適應了目前在美國的工作和學習。

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生。我渴望能一直在大學校園中，和一群有理想的年輕學生們一起探索未來，永遠保持著朝氣?！?/p>