划重点
01沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学助理教授万雅婷主导开发的硅基量子点光电技术解决了硅光集成的核心光源问题。
02该技术具备高温鲁棒性、低阈值电流和强抗反射性，为高速大容量光通信、光计算及量子通信提供了高性能和高集成度的解决方案。
03通过采用与CMOS工艺兼容的001晶面的硅片，万雅婷创新性地实现了量子点激光器通过外延生长方式直接集成到硅光平台的技术突破。
04除此之外，万雅婷及其团队在硅基激光器和光电检测器的研发上取得了多项突破，为光计算领域的发展奠定了基础。
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随着摩尔定律逼近其物理极限，芯片间数据交互的限制成为提高芯片性能的关键挑战。
硅基光电集成技术具有大光学带宽、低传输损耗、低能耗、低成本等优势，同时具备光信号传输的高带宽和低衰减特性，已被广泛认为是实现片上光互连的最具潜力的方案。
但由于硅是一种间接带隙半导体，将它作为有效的光源材料存在局限性。现如今，随着各类光子集成单元技术的日益成熟，高效的硅基光源已经成为该技术发展的关键瓶颈。为满足大规模生产的需求，在硅衬底上直接集成 III-V 族材料，成为解决硅基光电集成中核心光源问题的理想方案。
与传统的量子阱材料相比，零维量子点结构因其对位错缺陷的不敏感性、低阈值电流密度以及能够在高工作温度条件下工作等优势，被认为是硅基外延 III-V 族半导体激光器中的理想光源。
在此背景下，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学助理教授万雅婷以硅基量子点光源的潜力为研究重点，将其与硅互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）制造流程结合，助力推动下一代光芯片技术的发展。
她主导开发的硅基量子点光电技术解决了硅光集成的核心光源问题。该技术具备高温鲁棒性、低阈值电流和强抗反射性，为高速大容量光通信、光计算及量子通信提供了高性能和高集成度的解决方案。凭借一系列创新研究，万雅婷成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
实现高温鲁棒性的高性能光源及硅光片上集成技术的突破
万雅婷本科毕业于浙江大学光电工程学专业，师从何建军教授。在学期间，她在微电子和光电子学领域积累了扎实的理论基础和丰富的实验经验。随着摩尔定律逐渐接近其物理极限，她敏锐地意识到硅基光电集成技术的重要性，并决定将研究重心转向这一新兴领域。
在香港科技大学攻读博士期间，她师从刘纪美院士，专注于硅基量子点作为有源器件的研究。她回忆道：“当时硅光子学领域发展迅速，硅波导和调制器等硅光器件技术已经相对成熟，但光源问题始终是制约其发展的重要瓶颈。”为此，她与团队经过多年的研究和探索，成功突破了量子点 III-V 族光电器件外延集成到硅基底的复杂技术难题。
量子点是一种由半导体材料制成的纳米晶体，尺寸通常在几纳米范围内。“量子点被称为‘人工原子’，因为它通过量子限制效应将电子和空穴约束在一个微小的三维区域内。”她解释道。
这种限制导致其能级呈离散化特性，类似于原子中的电子能级。通过改变量子点的尺寸，可以精确调控其电子能带结构，从而调整其发射光的波长。这种特性使得量子点成为实现高效、可调谐激光的重要材料，尤其在硅光子技术中展现出巨大潜力。
通过采用与 CMOS 工艺兼容的 001 晶面的硅片，她创新性地实现了量子点激光器通过外延生长方式直接集成到硅光平台的技术突破。这一方法避免了传统四度或六度偏离晶面所带来的工艺限制，显著提升了器件性能和集成度。相关论文发表在 Optica，并被选为封面论文 [1]。
此外，量子点因其独特的线宽增强因子小、线宽窄等特性备受关注。这些特性使量子点对反射不敏感，因此在系统中不需要隔离器，从而大大简化了系统设计，并助力系统的小型化和高集成度。基于这些优势，万雅婷及其团队在硅基激光器和光电检测器的研发上取得了多项突破。
从定义新性能标准的微腔激光器，到展现出色射频性能的多波长锁模激光器；从具备极低暗电流性能的光电检测器，到无需隔离器的芯片系统，这些成果充分展现了量子点技术在硅基光电领域的巨大潜力，为实现超过 1Tbit/s 的高扩展性和长寿命的硅基接收器奠定了坚实基础 [2]。
博士毕业后，万雅婷加入美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB，University of California，Santa Barbara）约翰·E·鲍尔斯（John E. Bowers）教授团队，开展了为期 5 年的博士后研究。期间，她进一步拓展了硅基量子点技术的应用，实现了硅基量子点激光器与硅波导无源器件的高度集成，为推动硅光子技术的突破性发展奠定了坚实基础。
与 Intel 研究中心的合作更是为异质集成技术注入了新动力，她专注于通过 wafer bonding（晶圆键合）技术实现量子点激光器与硅光芯片的深度集成。这项工作的关键挑战在于，如何将量子点薄膜成功键合到硅芯片上并加工激光器，同时确保量子点的性能不受影响，并维持其他硅光组件（如波导和调制器）的功能完整性。
研究团队优化了硅晶片的预处理工艺。在激光器所需位置精确开孔后，使用键合技术将量子点薄膜无缝连接到硅晶片上。后续的加工过程中，通过高精度光刻工艺实现激光器与硅之间的对准，避免了传统手动对准可能带来的误差。这种全流程确保了光从量子点到硅的的高效传输，并通过锥度结构的倏逝波耦合实现了卓越性能。相关论文发表于 Laser & Photonics Reviews，并被选为封面文章 [3]。
“与以往的工作不同，我们不再仅仅将硅作为衬底，而是真正地将激光器与硅光子平台深度集成，使光能够直接传输到硅波导中，形成一个完整的工具平台。”万雅婷解释道。“没有捷径可走，这是一场反复试验的持久战，我们花了五年时间，投入了数千小时的工作来优化设计，包括组件的键合、刻蚀和沉积顺序，以及压力和温度条件的优化。”
2024 年，Intel 在其工业实验室中成功复制了这一工艺，从而突破了大学实验室的局限性，实现了技术的更广泛应用。“这为商业化应用迈出了重要一步。”万雅婷表示。Intel 对提高设备可靠性以及取消隔离器的商业兴趣为这项研究提供了重要动力，而该成果也延续了 Intel 与该课题组在量子阱异构激光器上的成功合作。
图丨硅基光源和硅光片上集成技术的发展及应用（来源：elight）
为高速大容量光通信、光计算及量子通信提供高性能和高集成度的解决方案
从 2022 年 6 月起，万雅婷在阿卜杜拉国王科技大学（KAUST，King Abdullah University of Science & Technology）担任独立 PI，创立了集成光电实验室。实验室现有成员十余名，专注于异质集成光子芯片的研发，研究领域涵盖光计算，光通信以及激光雷达等多个前沿技术方向。
在国内外合作中，她的课题组与中国科学院微电子研究所联合开展流片工作，同时与香港科技大学教授、希迪智驾创始人李泽湘合作，研发基于量子点激光器的新型激光雷达技术。这种 LiDAR 技术专门针对沙特沙漠的极端环境设计，能够有效抵抗沙尘干扰，为自动驾驶矿卡提供可靠的导航支持。
“沙特的极端炎热气候使人工操作极具挑战性，无人矿卡的需求非常大。我们的项目致力于为这些无人矿卡提供高效且稳定的技术支持。”万雅婷说道。
此外，她的团队正在推动量子点芯片在尖端领域的广泛应用。除了自动驾驶激光雷达传感器，还包括高性能光学神经网络。光计算作为当前最具颠覆性潜力的研究领域之一，却面临两大挑战：其一，传统的外置激光系统不仅复杂且庞大；其二，光计算领域专家与算法专家之间的交流不足，导致光计算在算法层面的发展较电计算仍存在一定差距。
万雅婷团队通过开发高集成度的量子点激光器，有效简化了光计算器件的结构，为实现更高效、更紧凑的光计算系统提供了新的可能性。这种创新将进一步促进软件与硬件的深度融合，为光计算领域的发展奠定基础。
图丨万雅婷课题组部分成员合影（来源：万雅婷）
在 Nature Photonics 上，课题组报道了一种基于量子点集成的高性能激光器 [4]。该激光器表现出优异的无混沌特性，在低 Q 值外部腔体锁定下实现了仅 16 赫兹的洛伦兹线宽。与常规量子阱激光器相比，其频率噪声降低了 1 个数量级以上，为高稳定性光源奠定了新标准。
“激光器外置会导致较大的损耗，并增加系统的复杂度。我们的技术通过集成量子点激光器，有效减少了这些损耗和复杂度，这也是我们技术的主要优势之一。”万雅婷说。
（来源：Nature Photonics、Laser & Photonics Reviews、Light: Science & Applications）
科学研究常常充满不确定性，但正是这种不确定性为创新提供了无限可能。万雅婷引用曾国藩的话说道：“凡物之骤为之而追成焉者，其器小也；物之一览而易尽者，其中无有也。”
她认为，迅速完成的研究成果往往缺乏深度和持久价值，真正具有影响力的技术突破需要经过长期测试和验证。“有时候一项研究可能需要十年甚至更长的时间才能看到成效，这个过程中充满了失败和挫折。然而，就像长期的投资一样，即使面临黑天鹅事件的损失，理性而分散的长期投资最终会带来稳定的回报。”这种认识使她的工作充满信念和幸福感。
从磷化铟量子阱外延片到砷化镓量子点外延片的技术转变，万雅婷课题组正在为更高性能、更具经济可行性的光电解决方案开辟新路径。团队的目标是将这些高效光源技术应用于 300 毫米直径晶圆，以支持光通信领域的革新性发展，同时为集成量子技术和下一代光计算技术的突破提供基础 [5]。
硅基光电技术和量子点作为新型光源材料，展现出了解决硅基光电集成中长期存在的问题的巨大潜力，并预示着其广阔的商业和应用前景。在万雅婷看来，未来硅基量子点光电技术在光互连和光计算方面可能会是领域的下一个爆发点。
“我们希望通过团队的努力和广泛的合作，将这些技术早日广泛应用于数据中心、高性能计算和量子信息处理等领域。”她补充道，“这些技术不仅能显著提升数据传输速度和计算效率，同时能有效降低能耗，进而推动信息技术的全面革新和发展。”
参考资料：
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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