通過微轉(zhuǎn)移印刷實(shí)現(xiàn)完全集成的混合外腔激光器

  導(dǎo)言

  由于 CMOS 微電子產(chǎn)業(yè)的成熟以及絕緣體上硅（SOI）和氮化硅（SiN）平臺(tái)的可用性，光子集成電路獲得了巨大的發(fā)展。然而，由于硅的間接帶隙導(dǎo)致其缺乏高效光源，因此有必要在電信波長(zhǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用中集成 III-V 材料，如基于 InP 的增益材料。將 InP 增益材料集成到 SOI 和 SiN 波導(dǎo)中的最有效方法之一是邊緣耦合，能提供寬帶、偏振無關(guān)的低耦合損耗（小于 1 dB）。

  本文介紹的論文首次展示了通過微轉(zhuǎn)移印制技術(shù)（μTP）實(shí)現(xiàn)的邊緣耦合配置的全集成混合外腔激光器（HECL）。該混合外腔激光器在寬泛的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)均可進(jìn)行單模激光操作，并具有高邊模抑制比（SMSR），是低成本、大批量制造光子集成電路的理想解決方案。

  微轉(zhuǎn)移印刷集成

  由于晶格常數(shù)不匹配和兼容性問題，在硅上直接生長(zhǎng) InP 材料極具挑戰(zhàn)性。微轉(zhuǎn)移印刷 （μTP）提供了一種前景廣闊的解決方案，它能夠以亞微米級(jí)的精度，將器件或材料裸片高吞吐量、并行和可擴(kuò)展地轉(zhuǎn)移到任何平臺(tái)上的所需位置，而且不會(huì)浪費(fèi) III-V 材料。

  圖 1 - a） 轉(zhuǎn)印 RSOA 與 SU8 聚合物波導(dǎo)之間的耦合示意圖，以及將光線推入 SiN 波導(dǎo)的錐度；b） 芯片的光學(xué)顯微鏡圖像，顯示轉(zhuǎn)印 RSOA 到 SiN 上，并與 SU8 聚合物波導(dǎo)和 SiN 波導(dǎo)及光諧振器（一維 PhC）耦合。在這項(xiàng)工作中，蝕刻面 InP 反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）通過電子束光刻技術(shù)（EBL）從其基底上切割、釋放，并通過 μTP 異質(zhì)集成到預(yù)先刻有溝槽的 SiN 芯片、SU8 聚合物波導(dǎo)、SiN 波導(dǎo)和 SiN 光諧振器（一維光子晶體）上。通過低于 0.5 μm 的 μTP 精度，確保了 RSOAs 發(fā)射面的橫向?qū)?zhǔn)，并利用薄蒸氣涂層 BCB 層實(shí)現(xiàn)了 90% 以上的高粘合率。

  HECL 運(yùn)行和結(jié)果

  圖 2 - a） 在不同驅(qū)動(dòng)電流下測(cè)量的一個(gè) HECL 的單模激光光譜；b） 脈沖驅(qū)動(dòng)電流（20 kHz 和 0.1% 占空比）下（a）中 HECL 的單模激光光譜。為了評(píng)估激光器的運(yùn)行情況，對(duì)基于與 SiN 光學(xué)諧振器耦合的 μTP RSOAs 的全集成 HECL 進(jìn)行了電氣和光學(xué)表征。圖 2 顯示了其中一個(gè) HECL 在連續(xù)波（CW）和脈沖（20 kHz，0.1% 占空比）工作時(shí)測(cè)得的激光光譜。

  在連續(xù)波工作模式下，HECL 在 40 mA 至 65 mA 的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)顯示出 30-40 dB 的單模激光工作狀態(tài)。在工作期間，由于增益和芯片發(fā)熱，激光波長(zhǎng)會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加而移動(dòng)。在脈沖操作中，由于加熱作用大大降低，因此在所研究的整個(gè)驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)，激光波長(zhǎng)都能保持穩(wěn)定，這證明了穩(wěn)定單模操作的潛力。

  結(jié)論

  這項(xiàng)研究首次展示了通過微轉(zhuǎn)移印制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的邊緣耦合配置的全集成 HECL。該 HECL 在很寬的驅(qū)動(dòng)電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單模運(yùn)行，SMSR 在 40 dB 范圍內(nèi)。使用 μTP 的集成方法無需昂貴而耗時(shí)的有源對(duì)準(zhǔn)，為低成本、大批量制造光子集成電路提供了可能。

  通過 μTP 成功展示了完全集成的 HECL，為進(jìn)一步推動(dòng)光子集成電路技術(shù)的發(fā)展開辟了途徑，使高性能、高性價(jià)比和可擴(kuò)展的光子器件得以實(shí)現(xiàn)，適用于電信、傳感和光計(jì)算等各種應(yīng)用。