通過微轉移印刷實現(xiàn)完全集成的混合外腔激光器

  導言

  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致其缺乏高效光源，因此有必要在電信波長領域的應用中集成 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 波導中的最有效方法之一是邊緣耦合，能提供寬帶、偏振無關的低耦合損耗（小于 1 dB）。

  本文介紹的論文首次展示了通過微轉移印制技術（μTP）實現(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動電流范圍內均可進行單模激光操作，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 InP 材料極具挑戰(zhàn)性。微轉移印刷 （μTP）提供了一種前景廣闊的解決方案，它能夠以亞微米級的精度，將器件或材料裸片高吞吐量、并行和可擴展地轉移到任何平臺上的所需位置，而且不會浪費 III-V 材料。

  圖 1 - a） 轉印 RSOA 與 SU8 聚合物波導之間的耦合示意圖，以及將光線推入 SiN 波導的錐度；b） 芯片的光學顯微鏡圖像，顯示轉印 RSOA 到 SiN 上，并與 SU8 聚合物波導和 SiN 波導及光諧振器（一維 PhC）耦合。在這項工作中，蝕刻面 InP 反射半導體光放大器（RSOA）通過電子束光刻技術（EBL）從其基底上切割、釋放，并通過 μTP 異質集成到預先刻有溝槽的 SiN 芯片、SU8 聚合物波導、SiN 波導和 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)射面的橫向對準，并利用薄蒸氣涂層 BCB 層實現(xiàn)了 90% 以上的高粘合率。

  HECL 運行和結果

  圖 2 - a） 在不同驅動電流下測量的一個 HECL 的單模激光光譜；b） 脈沖驅動電流（20 kHz 和 0.1% 占空比）下（a）中 HECL 的單模激光光譜。為了評估激光器的運行情況，對基于與 SiN 光學諧振器耦合的 μTP RSOAs 的全集成 HECL 進行了電氣和光學表征。圖 2 顯示了其中一個 HECL 在連續(xù)波（CW）和脈沖（20 kHz，0.1% 占空比）工作時測得的激光光譜。

  在連續(xù)波工作模式下，HECL 在 40 mA 至 65 mA 的驅動電流范圍內顯示出 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，激光波長會隨著驅動電流的增加而移動。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驅動電流范圍內，激光波長都能保持穩(wěn)定，這證明了穩(wěn)定單模操作的潛力。

  結論

  這項研究首次展示了通過微轉移印制技術實現(xiàn)的邊緣耦合配置的全集成 HECL。該 HECL 在很寬的驅動電流范圍內實現(xiàn)了單模運行，SMSR 在 40 dB 范圍內。使用 μTP 的集成方法無需昂貴而耗時的有源對準，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，為進一步推動光子集成電路技術的發(fā)展開辟了途徑，使高性能、高性價比和可擴展的光子器件得以實現(xiàn)，適用于電信、傳感和光計算等各種應用。