通过微转移印刷实现完全集成的混合外腔激光器

7/11/2024，光纤在线讯，由于 CMOS 微电子产业的成熟以及绝缘体上硅（SOI）和氮化硅（SiN）平台的可用性，光子集成电路获得了巨大的发展。然而，由于硅的间接带隙导致其缺乏高效光源，因此有必要在电信波长领域的应用中集成 III-V 材料，如基于 InP 的增益材料。将 InP 增益材料集成到 SOI 和 SiN 波导中的最有效方法之一是边缘耦合，能提供宽带、偏振无关的低耦合损耗（小于 1 dB）。

    本文介绍的论文首次展示了通过微转移印制技术（μTP）实现的边缘耦合配置的全集成混合外腔激光器（HECL）。该混合外腔激光器在宽泛的驱动电流范围内均可进行单模激光操作，并具有高边模抑制比（SMSR），是低成本、大批量制造光子集成电路的理想解决方案。

微转移印刷集成
    由于晶格常数不匹配和兼容性问题，在硅上直接生长 InP 材料极具挑战性。微转移印刷 （μTP）提供了一种前景广阔的解决方案，它能够以亚微米级的精度，将器件或材料裸片高吞吐量、并行和可扩展地转移到任何平台上的所需位置，而且不会浪费 III-V 材料。

    图 1 - a） 转印 RSOA 与 SU8 聚合物波导之间的耦合示意图，以及将光线推入 SiN 波导的锥度；b） 芯片的光学显微镜图像，显示转印 RSOA 到 SiN 上，并与 SU8 聚合物波导和 SiN 波导及光谐振器（一维 PhC）耦合。在这项工作中，蚀刻面 InP 反射半导体光放大器（RSOA）通过电子束光刻技术（EBL）从其基底上切割、释放，并通过 μTP 异质集成到预先刻有沟槽的 SiN 芯片、SU8 聚合物波导、SiN 波导和 SiN 光谐振器（一维光子晶体）上。通过低于 0.5 μm 的 μTP 精度，确保了 RSOAs 发射面的横向对准，并利用薄蒸气涂层 BCB 层实现了 90% 以上的高粘合率。

HECL 运行和结果 

      
    图 2 - a） 在不同驱动电流下测量的一个 HECL 的单模激光光谱；b） 脉冲驱动电流（20 kHz 和 0.1% 占空比）下（a）中 HECL 的单模激光光谱。为了评估激光器的运行情况，对基于与 SiN 光学谐振器耦合的 μTP RSOAs 的全集成 HECL 进行了电气和光学表征。图 2 显示了其中一个 HECL 在连续波（CW）和脉冲（20 kHz，0.1% 占空比）工作时测得的激光光谱。

    在连续波工作模式下，HECL 在 40 mA 至 65 mA 的驱动电流范围内显示出 30-40 dB 的单模激光工作状态。在工作期间，由于增益和芯片发热，激光波长会随着驱动电流的增加而移动。在脉冲操作中，由于加热作用大大降低，因此在所研究的整个驱动电流范围内，激光波长都能保持稳定，这证明了稳定单模操作的潜力。

结论
    这项研究首次展示了通过微转移印制技术实现的边缘耦合配置的全集成 HECL。该 HECL 在很宽的驱动电流范围内实现了单模运行，SMSR 在 40 dB 范围内。使用 μTP 的集成方法无需昂贵而耗时的有源对准，为低成本、大批量制造光子集成电路提供了可能。

    通过 μTP 成功展示了完全集成的 HECL，为进一步推动光子集成电路技术的发展开辟了途径，使高性能、高性价比和可扩展的光子器件得以实现，适用于电信、传感和光计算等各种应用。 

文章来源：逍遥科技