号外号外：2025年1~11月中国（含港澳）贸易顺差突破1万亿美元，成为人类历史上第一个实现此纪录的国家，标志着全球贸易霸主地位在上世纪WW1/2之后从大英帝国转移到漂亮国之后，再次实现了权力转移。这既是一种科技/经济/军事/政治实力的Transfering，也是历史演进的必然Returning。
在此大背景下，中美的科技竞争在量子芯片，AI计算，人形机器人，生物医药等前沿领域日趋激烈。作为其中的参与者切身体会到的是：虽然中美开展Competition的科技赛道几乎相同，但是方式方法风格迥异。管中窥豹，可见一斑。前面介绍过清华大学研制出首款氮化硅/磷化铟/薄膜铌酸锂三材料平台混合集成大范围超快可调窄线宽激光器，今天不妨对比一下加州理工大学圣芭芭拉分校John.Browers等联合罗切斯特大学Qiang Lin等同样采用的硅－磷化铟－薄膜铌酸锂三材料平台制备的异质集成窄线宽可调谐激光器，从研究方法和性能指标方面进行对比，看看究竟中美两家顶级学府的科研思路孰优孰劣，你会Pick谁？ 在清华大学MingHua Chen团队研究提到过，之所以采用基于Butt Coupling的混合集成（Hybrid integration）来架构外腔激光器，一方面是将SiNx芯片，SOA芯片和TFLN芯片进行了制备解耦，这样大大降低了流片的不合格率，另外一方面详细论述了基于单片异质集成的DFB以及外腔激光器的复杂制备流程的研制难度。也正因为如此，该团队在路径选择上虽然做出了现实妥协，但是在结构设计和工艺上下足了功夫：通过高Q值的氮化硅微环制备➕非对称MZI结构抑制边模噪声➕通过TFLN等电极进行Pockels效应的快速开关和波长切换，最终实现了高达60dB的SMSR和10MHz以上的开关速度，同时可调波长范围达到了40nm以上。综合来讲，清华大学的方案结合了制备成本最低化，设备条件最简化，设计能力最优化，性能指标最高化，虽然放弃了最前沿（edge cutting）的设计方案，但是最终实现了类似顶级工程师级别的科研成果。 反观美国这边UCSB团队，从一开始设计方案就锚定在工艺难度复杂度更高的基于单片集成的窄线宽激光器研制，给出的理由很简单：和目前高速光通信中硅光采用的单片集成收发模块带来的包括CPO在内的巨大潜在效应相一致，对于高质量激光器而言，无论是从尺寸大小，PD可集成度还是外部环境适应性而言，采用基于键合方案（bonding）单片异质集成是未来面向相干通信，波分复用乃至量子精密传感的唯一可持续发展路径。这也是该团队把butt Coupling，print transfer，flip chip，BCB bonding等等全都排除在外的主要原因，即使牺牲良率，即使折损现实指标性能，都在所不辞。 到这里可能有同学会问到：牺牲了实际产品性能和研制的造价成本，反而捣鼓一些看似虚幻的空中楼阁，这不就是舍本逐末吗？这恰恰是中美科技竞争中发展思路的差异，对于美国学术界而言，对于前沿科技的探索带来的潜在价值远超过最终现实层面的人力物力甚至暂时的产品性能的妥协；对于中国科技乃至产业界，最现实的考虑就是指标是不是国内国际TOP级别，成本是不是打遍天下无敌手，反而对于未来潜在技术应用采取更保守的跟随姿态。仔细思考，这种差异性的科研乃至产品思路，遍布从电动车，航空科技，人工智能，信息通信等中美竞争的各个领域。 言归正传，UCSB团队采用的InP－Si－TFLN的晶圆级别异质集成方案进行了DFB和可调波长的两种窄线宽激光器研制，其中DFB激光器采用下图中的外腔光传输方案：（1）InP量子阱（QW）芯片出射激光通过倏逝波耦合到下方的Si波导中；（2）Si波导一方面带有反射光栅进行光反馈实现谐振腔，一方面制备了热电极进行相位调制，避免热效应带来的相位失配模式跳变（mode hop）；（3）经过相位调制的激光通过Si上收窄的端面耦合器进入到最底层的LN波导层，LN层上通过制备高Q值微环进行滤波和反向散射，进一步优化线宽，并实现激光出射。 整个单片异质集成制备流程包含薄膜铌酸锂的微环器件和热电极制备，SOI上的相位调制区，反馈光栅制备和端面耦合器制备，InP上量子阱台面结及电极制备。上述三者结合CMP表面平整工艺和直接键合方式（Direct Bonding）进行单片异质集成，实现了最终的晶圆级别外腔窄线宽激光器芯片研制。 制备出来的芯片如下所示：从SEM下的横截面可知，多层量子阱处于最上方，之后激光通过倏逝波耦合到中间的Si光栅和波导中，最后传输到最下方的TFLN波导中。在测试上通过探针卡对激光芯片加点，并通过探针对Si上和TFLN上热电极进行相位调制。 通过上述流片方案制备的DFB单频窄线宽激光器而言，片上出光功率为4mW，阈值电流为150mA，边模抑制比达50dB，本征线宽为11KHz，相比于清华大学的激光指标性能而言，可谓全方面落后。 对于第二种具备可调谐波长的窄线宽激光器设计而言，则采用了Vernier级联微环方式实现了游标效应的可调波长扩展（和清华大学方案类似，区别在于前者两个微环都在Si上，后者一个在SiN上，一个在TFLN上），测试可得边模抑制比为40dB，出光功率0.43mW，SMSR为40dB，本征线宽200KHz，除了可调范围44nm和清华团队相当，其他指标也明显不及后者。 总的来说，UCSB团队采用了更具前瞻性和大规模应用前景的技术方案－晶圆级单片异质集成实现外腔窄线宽激光器研制，包括本征线宽，出光功率，边模抑制等相关指标性能均不及采用端面耦合方案的混合集成的清华团队研制成果，但这也恰恰反映了美国和中国两国在科技研发探索中的不同思路，前者更像是不计成本和后果的前沿探险家，后者则更趋近于现实实用主义的科技商人。从时间维度上看，你更倾向于哪种科研思路呢？欢迎留言区讨论！
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