800纳米氮化硅平台上的微转印连续波和锁模激光器集成

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引言

短波长光子集成对增强现实/虚拟现实、光学原子钟和量子计算等多种应用非常必要。本文探讨了一种利用微转印技术将III-V族激光器与氮化硅(SiN)波导在800纳米波长下集成的新方法。与传统技术相比，这种集成方法在制造可扩展性和热特性方面具有显着优势[1]。

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短波长光子集成的需求

波长短于1100纳米的应用需要替代波导平台，因为广泛使用的硅绝缘体(SOI)平台由于其相对较窄的带隙而变得不适用。氮化硅已成为最有潜力的解决方案，提供约400纳米的宽带透明度和极低的传输损耗（小于0.1 dB/m）。

这种集成的一个关键挑战是有效地将光从III-V光源耦合到低损耗的SiN波导，这是由于III-V材料(>3)和SiN(~2)之间的大折射率对比。虽然对于电信波长存在许多技术，但短波长的耦合方法更为有限，通常需要复杂的耦合结构。

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微转印：晶圆级集成方法

该研究引入了一种直接对接耦合方法，利用微转印(MTP)将III-V激光器与SiN波导异质集成。与传统技术相比，这种方法具有多种优势。晶圆级集成能力为商业化制造提供了途径。与晶圆键合技术相比，热特性更优，允许更好的热散发。该方法实现了无需波长特定结构的极宽带光耦合。它有效利用了昂贵的III-V材料，且不需要在SiN晶圆上进行III-V加工。此外，它允许使用预先表征的器件，提高了产量和性能。

图1：800纳米波长下的氮化硅异质集成平台。显示了集成流程、晶圆级方法以及SiN与III-V波导之间96%重叠率的光学模式比较。

图1a所示的集成过程包括在顶部包覆的SiN芯片中蚀刻凹槽，将III-V耦合器微转印到凹槽中，III-V模式与SiN模式垂直对齐，以及后续的处理，包括使用苯并环丁烯(BCB)进行平面化、电气通孔蚀刻和金属化。

该过程需要三个维度的精确对齐：III-V和SiN面之间的距离、横向印刷偏移和垂直对齐。根据模拟，在±1 μm对准精度的工具规格内，可实现超过50%的耦合效率，最大效率可达86%。面之间的距离受凹槽蚀刻角度限制，测量约为85度，最小面距约为450纳米。

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用于集成的高功率III-V激光器耦合器

为了展示这种方法的能力，研究人员开发了用于微转印的基于GaAs的激光器耦合器。图2说明了这些耦合器的准备过程和在硅基底上的集成。

图2：在硅芯片上准备耦合器和表征的过程步骤。图像显示了外延层堆栈设计、带有脊型波导的耦合器图案、用于悬浮的光刻胶封装、使用弹性体印章拾取以及在硅基底上印刷。

激光器耦合器的后面涂有高反射率的金涂层以实现最大反射。实现了不同的前面角度：7°的反射型SOA(RSOA)用于减少波导模式中的反射(从-12 dB降至-70 dB)，0°的法布里-珀罗激光器便于激光发射，当封装在BCB中时，反射回波导模式约为6%。

制造的器件表现出令人印象深刻的性能特征。电流-电压-光功率(LIV)测量显示，在150 mA时输出功率超过70 mW，阈值电流为48 mA(2.4 kA/cm²)。这些器件表现出优异的散热特性，即使在超过7 kA/cm²的高电流密度下也没有热滚降。它们实现了超过20%的壁插效率和0.66 W/A的斜率效率。100 mA时的光谱显示中心波长为796纳米的发射。

对于RSOA耦合器，小信号增益测量显示内部增益超过30 dB，20 dB增益带宽为15纳米，展示了用于铷光谱学等应用的广泛可调谐单模Vernier激光器的潜力。

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集成连续波和锁模激光器

研究人员使用这种集成方法开发了两种类型的激光器系统：连续波扩展腔法布里-珀罗激光器和产生超稳定脉冲序列的锁模激光器。锁模激光器对于原子钟八度频率梳生成等非线性应用特别有趣，高峰值功率可以降低平均激光功率的要求。

图3：集成锁模激光器的示意图和特性。图像显示了在氮化硅上完全集成的扩展腔锁模激光器，并展示了有无锁模的激光器运行情况，演示了随机相位模式如何变为相位锁定形成脉冲。

对于锁模激光器，通过电气隔离SOA的一个子部分与增益部分，实现了可饱和吸收体(SA)。腔体由一端带有金镜的RSOA耦合器和另一端75%反射的萨格纳克环镜形成。通过对SA部分施加负电压，同时对增益部分施加正偏压，实现了稳定的锁模操作。

可饱和吸收体的工作原理涉及高入射功率下电子在导带中的积累，耗尽基态并占据激发态。这导致吸收的漂白，从而饱和，允许锁模操作。

低损耗的SiN波导螺旋延长了光子寿命和腔长，与单片III-V平台相比，允许更低重复频率的频率梳和改善的噪声特性。通过改变SiN波导螺旋的长度，制造了具有3.2 GHz、7.5 GHz和9.2 GHz自由光谱范围的多个锁模激光器器件。

图4：扩展腔连续波和锁模激光器的性能。图像显示了测量设置、9.2 GHz扩展腔激光器的LI曲线、光谱、3.2 GHz MLL的脉冲序列以及具有相位噪声表征的RF频谱测量。

集成激光器展示了令人印象深刻的性能指标。在连续波操作中，它们实现了超过4 mW的输出功率，阈值为48 mA。对于锁模操作，它们产生了重复率范围从3.2到9.2 GHz的稳定脉冲序列，具有出色的被动稳定性。基频RF线宽测量低至519 Hz，对应的最小脉冲间抖动仅为51 fs。7.5 GHz器件的脉冲能量达到0.27 pJ。

锁模光谱展现了宽平坦的发射，10-dB带宽为3.5纳米，对应1.7 THz，包含525个梳线。RF频谱显示约50 dB的消光比，受测量噪声底限制。

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未来潜力和应用

演示的集成方法为800纳米甚至可能更短波长的复杂光子系统提供了可能性。未来的改进可能包括优化III-V到SiN的耦合，通过调整印刷参数、粘合层成分和厚度以及凹槽蚀刻深度控制，达到高达50 mW的波导耦合功率。

由于耦合方案的波长无关性，该方法可以扩展到更短波长，使用不同的增益材料如InGaP、(Al)GaN和AlN。不同的波导平台如薄膜铌酸锂或氧化铝可用于进一步扩展光谱和功能。

微转印的灵活性允许多种不同材料的共集成，密度和复杂性远超晶圆键合能实现的水平。激光器可以与微转印的铌酸锂或钽酸锂行波调制器结合，用于高速光互连或快速可调谐单模激光器。硅光电探测器可作为监视二极管或用于芯片上光谱仪进行共集成。

对于集成原子钟应用，将锁模激光器与高Q值的SiN环谐振器或微转印的非线性GaP波导结合，可实现完全集成的超连续谱源，用于f-2f参考。

这种集成过程与现有光子SiN平台的兼容性使其非常适合大规模高产量制造。该技术使CMOS不兼容的III-V材料远离前端，允许在CMOS工艺的后端在晶圆级进行集成。

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结论

引用论文中演示的微转印集成方法使用可扩展的制造方法实现了800纳米高性能激光器系统的创建。扩展腔连续波和锁模激光器展示了这种技术构建复杂光子系统的潜力，可推进增强现实/虚拟现实、非线性光子学、精密计时和量子计算等领域。

该方法的灵活性，加上其热优势和III-V材料的有效利用，使其成为当前选择有限的波长下异质集成的理想平台。该技术已经证明可以在氮化硅平台上集成高性能的激光器，具有优异的光学特性和稳定性，为短波长光子集成提供了实用的解决方案。

rhyy

学习了，谢谢。