微转印技术实现800纳米波段氮化硅平台上的连续波与锁模激光器集成

氮化硅已成为可见光和近可见光波段光子线路的首选平台。与硅不同，氮化硅提供卓越的宽带透明性，延伸至约400纳米波长，同时具有极低的光学损耗，低于0.1分贝每米。这个透明窗口完美匹配铷原子光谱学的需求，该应用需要780和795纳米附近的激光波长用于原子冷却和捕获。该材料还支持超高品质因子微腔，这对非线性光学过程具有必要性，使其成为复杂光子系统的理想衬底。然而，氮化硅本身无法高效产生光，因此需要集成来自III-V族半导体系列的有源增益材料，特别是基于砷化镓和磷化铟镓砷的化合物。

图1：异质集成平台概览，显示简化的微转印工艺流程、晶圆级方法、氮化硅与III-V波导之间光学模式对比（96%重叠度）、印刷耦合器的显微镜和扫描电镜图像展示优异对准精度，以及氮化硅波导组件包括光栅耦合器和萨格纳克环形镜。

III-V增益材料与氮化硅波导的集成面临基础光学挑战，根源在于这些材料之间显著的折射率对比。III-V半导体通常表现出超过3的折射率，而氮化硅的折射率约为2。这种失配造成显著的模式重叠困难，先前的方法通过中间耦合结构或薄硅层来解决这个问题。然而，这些解决方案要么在较短波长处因硅吸收而失效，要么需要复杂的制造流程，涉及在III-V集成后进行介电波导沉积和图案化。研究团队开发了一种采用直接对接耦合的替代方法，将III-V波导端面直接定位在氮化硅波导端面附近，保持最小间距。该方法通过精心设计外延层厚度来垂直对齐两种材料之间的光学模式，从而实现高效光传输，计算得出的模式重叠度达到96%。对接耦合方法提供与波长无关的操作特性和极宽的带宽，使相同的集成技术能够在氮化硅的整个透明范围内工作。

微转印代表了异质集成的范式转变，相比传统的芯片到芯片键合方法提供可扩展性优势。该工艺始于在砷化镓源晶圆上制造的完全加工III-V激光器件。这些器件称为耦合器，包含完整的激光结构，具有量子阱增益区、脊形波导、电接触和金属背镜。通过选择性化学蚀刻牺牲磷化铟镓层，耦合器从原生衬底上释放，同时通过光刻胶锚点保持连接。弹性聚二甲基硅氧烷印章通过断开这些弱连接拾取悬浮的耦合器，然后将其转移到目标氮化硅晶圆上，在那里精确对齐并印刷到蚀刻的凹槽中。目标晶圆具有预图案化的氮化硅波导和氧化硅包层，凹槽通过氧化物层蚀刻以暴露下方的硅衬底。这种直接放置在硅上而非氧化物上的方式提供优于晶圆键合方法的热管理能力，在键合方法中III-V与硅之间被绝缘氧化物层分隔。

图2：III-V耦合器制备的详细工艺步骤，显示外延层堆叠组成、耦合器制造阶段包括脊形波导形成和金属接触沉积、源衬底上带有后端面金涂层的悬浮耦合器、连续波光-电流-电压特性展示超过70毫瓦输出功率和20%壁插效率、反射型半导体光放大器的内部小信号增益超过30分贝，以及中心波长796纳米的光发射光谱。

砷化镓基激光耦合器展现出卓越性能，为集成器件功能奠定基础。采用四个量子阱设计用于800纳米附近发射的这些1毫米长法布里-珀罗激光器实现了显著的输出功率，在150毫安注入电流下超过70毫瓦。阈值电流密度为2.4千安培每平方厘米，斜率效率为0.72瓦每安培，反映了外延材料和器件加工的高质量。或许最值得注意的是，这些器件即使在电流密度超过7千安培每平方厘米时也没有表现出热翻转，验证了与硅衬底直接接触提供的优异散热能力。壁插效率超过20%，展示了砷化镓量子阱激光器固有的效率优势。对于需要光放大的应用，带有倾斜前端面的反射型半导体光放大器版本实现了超过30分贝的净内部增益，在15纳米带宽范围内保持20分贝增益。这种宽增益光谱使得可以利用外腔反馈和波长选择组件（如集成在氮化硅中的游标环形滤波器或分布式布拉格反射器结构）实现宽调谐单模激光器。

微转印集成技术支持复杂的扩展腔激光器架构，充分利用III-V增益和氮化硅无源组件的互补优势。这些激光器结合了具有金背镜的反射型半导体光放大器耦合器与包含低损耗波导螺旋和用作输出耦合器的部分反射萨格纳克环形镜的氮化硅外腔。扩展腔方法与单片III-V激光器相比显著增加了光子寿命，降低了光学噪声并改善了光谱纯度。测量的9.2千兆赫自由光谱范围器件（对应约16毫米腔长）在100毫安增益电流下提供超过4毫瓦的波导耦合连续波输出功率。48毫安的激光阈值与独立法布里-珀罗耦合器阈值密切匹配，确认了高效集成。对总腔损耗的分析显示，排除输出耦合后约有9分贝的往返损耗，其中约3.2分贝归因于氮化硅波导和组件损耗，5.8分贝来自III-V与氮化硅之间的耦合损耗。这产生了约51%的单程耦合效率，与86%的最大模拟耦合效率之间的差异源于对准公差、凹槽蚀刻角度施加的端面间距以及制造缺陷。

图3：完全集成扩展腔锁模激光器，显示可饱和吸收体部分、增益部分、低损耗氮化硅螺旋和环形镜，以及与等效自由空间激光系统的比较、对比多模与锁模操作的时域场表示，以及通过侧壁散射和光栅耦合器发射展示扩展腔激光的明场和暗场显微镜图像。

锁模激光器代表了需要短光脉冲和光学频率梳的应用的关键功能。该研究通过电隔离半导体光放大器的一小部分作为可饱和吸收体来演示被动锁模。当反向偏置时，该部分在低强度下吸收光，但当暴露于高光功率时变得透明，因为电子在导带中积累，耗尽基态吸收。这种非线性行为锁定了纵向腔模的相位，这些模式在标准法布里-珀罗激光器中会以随机相位振荡。产生的脉冲串表现出由腔自由光谱范围决定的重复频率，通过改变氮化硅波导螺旋长度制造了工作在3.2、7.5和9.2千兆赫的器件。扩展的氮化硅腔通过增加腔光子寿命，与单片III-V锁模激光器相比显著增强了噪声性能。通过增益电流和可饱和吸收体电压参数空间的二维映射进行综合表征，揭示了产生平均功率达到数毫瓦和脉冲能量高达0.27皮焦耳的脉冲串的稳定锁模区域。

图4：扩展腔连续波和锁模激光器的综合性能表征，包括测量装置、显示9.2千兆赫激光器超过4毫瓦波导耦合输出的连续波光-电流特性、多模法布里-珀罗光谱、3.2千兆赫重复频率的实时示波器脉冲串、跨越3.5纳米包含525条梳线的锁模光谱、显示参数空间中输出功率和基频线宽的锁模映射图、显示50分贝消光比的射频梳、基频射频线测量，以及揭示519赫兹洛伦兹线宽（对应51飞秒时序抖动）的单边带相位噪声。

锁模激光器展示了出色的被动稳定性指标，使其与最先进器件具有竞争力。在85毫安增益电流和负1.3伏可饱和吸收体偏置的最佳工作点，3.2千兆赫器件产生最宽的光谱，具有3.5纳米的10分贝带宽，转换为1.7太赫兹的光谱覆盖范围，包含525条独立梳线。射频光谱分析显示出卓越的纯度，基频音调在噪声本底之上表现出约50分贝的消光比，受限于电频谱分析仪灵敏度而非激光器本身。单边带相位噪声测量能够通过洛伦兹拟合提取基频射频线宽，产生非常窄的519赫兹线宽。这对应于仅51飞秒的最小脉冲间时序抖动，表明在没有任何主动反馈稳定的情况下具有优异的被动稳定性。这种低噪声性能直接有利于光学频率计量、微波光子信号产生和精密光谱学等应用，这些应用对相位相干性和时序稳定性有严格要求。

虽然演示的器件已经显示出令人印象深刻的性能，但系统分析揭示了通过设计和制造优化实现大幅改进的明确路径。当前的输出功率限制主要源于萨格纳克环形镜75%的高反射率，选择该值是为了最大化光子寿命和最小化噪声，但降低了输出耦合效率。模拟表明，将镜面反射率降低到10%将使优化的扩展腔连续波激光器在100毫安时的波导耦合输出功率增加到约30毫瓦，在150毫安注入电流下进一步增加到60毫瓦。耦合效率改进代表另一个主要机会，目前的损耗主要由凹槽蚀刻侧壁角度施加的约450纳米最小端面间距主导。优化该蚀刻以实现垂直侧壁并实施对准规格为正负0.5微米的更精确微转印工具，可以将总反馈腔损耗从当前的9分贝降低到约2分贝。这些综合优化将使扩展腔激光器能够在中等电流下以10%输出耦合镜提供30毫瓦，或者使锁模激光器的脉冲能量超过3皮焦耳，代表比当前演示提高约十倍。

这里演示的微转印集成平台远远超出了所展示的具体器件，为以前无法实现的复杂多功能光子系统打开了通道。直接对接耦合的波长无关特性使得能够立即扩展到使用替代III-V材料的更短波长，例如用于红光发射的磷化铟镓，或用于蓝光和紫外波长的氮化铝镓和氮化铝。不同的波导平台，包括绝缘体上薄膜铌酸锂和氧化铝，同样可以从这种集成方法中受益。微转印的灵活性允许在单个芯片上共同集成不同组件，例如将激光器与先前演示的微转印薄膜铌酸锂电光调制器结合用于高速光互连，或集成硅光电探测器用于片上监测和传感。对于原子钟应用，这里演示的锁模激光器可以泵浦高品质因子氮化硅环形谐振器或共同集成的磷化镓波导，以产生用于频率到频率参考的倍频程跨越超连续谱。与标准互补金属氧化物半导体加工基础设施的兼容性以及对昂贵III-V材料的高效利用使这种方法在商业可扩展性方面处于有利地位。随着技术成熟，晶圆级集成将支持用于增强现实显示、量子计算平台、精密导航系统和便携式原子钟的复杂光子系统的大批量制造，将实验室能力带入紧凑的可部署封装。

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