APL Photonics | 砷化鎵基光電子集成芯片：實現(xiàn)單片集成環(huán)形諧振腔耦合激光器

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引言
/ ^8 v2 I4 G+ l. @& R1 B7 i2 i光電子集成芯片(PIC)技術已經(jīng)改變了光通信和傳感技術。盡管磷化銦(InP)和絕緣體上硅(SOI)平臺在光電子集成芯片領域占據(jù)主導地位，但砷化鎵(GaAs)在某些波長范圍內(nèi)具有獨特優(yōu)勢。本文探討新型砷化鎵基光電子集成芯片平臺，該平臺實現(xiàn)了環(huán)形諧振腔耦合激光器的單片集成，標志著砷化鎵光子技術取得了重大進展[1]。
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$ U  q- N  ]# M  {

砷化鎵的優(yōu)勢
) `2 ^7 v1 Y4 f+ m5 q' {砷化鎵基二極管激光器可以在630 nm到1180 nm的波長范圍內(nèi)直接發(fā)光。這個光譜區(qū)域對多種應用具有重要意義，包括光譜學、光量子技術和生物傳感/生物成像。然而，許多應用需要比標準法布里-珀羅激光器更復雜的光源，這就需要集成額外的波導元件，如波長選擇元件、緊湊型彎曲、耦合器和相移器。

- h$ R; V' Z2 T9 \+ z" a4 R% r平臺設計
本文介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺采用了兩步外延生長工藝，并進行空間選擇性量子阱移除。這種方法使得有源（增益）部分和無源波導能夠集成在同一芯片上。該平臺支持四種類型的波導：

淺刻蝕有源波導

淺刻蝕無源波導

深刻蝕有源波導

深刻蝕無源波導
, O% f7 W- B' E5 Z) Q- x[/ol]
( k0 q8 n1 t+ ?; c9 H
' F+ V5 w0 ~' p' N3 r0 r. w' v
$ S2 v5 z$ t2 Y3 h圖1：所介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺的不同波導橫截面示意圖，展示了每種波導類型的可能用途。
. Q8 u* F! d1 U2 ^% A
淺刻蝕波導設計為僅支持基本模式，而深刻蝕波導提供高平面光學限制，這對于緊湊型彎曲結構是必要的。垂直結構經(jīng)過精心設計，以最小化損耗，提供強光學限制，并減少有源/無源界面處的寄生反射。

* [. T" l% m4 P$ q0 N環(huán)形諧振腔設計
8 {; ~0 f* ]8 D- J' ]/ q為了展示該平臺的能力，研究人員設計和制造了跑道型環(huán)形諧振腔。這些諧振腔結合了緊湊的深刻蝕U形彎曲和直的低損耗淺刻蝕波導，通過模式尺寸轉換器連接。
! d& q4 I- B' ?6 k/ Z( ?

) A2 ^5 n" j% `' D9 Q8 F圖2：(a) 環(huán)形諧振腔設計的示意圖，包括歐拉U形彎曲、尺寸轉換器和定向耦合器。(b-d) 各種波導元件的仿真結果。
2 K' ?+ r4 z) t# V
U形彎曲采用歐拉曲線以最小化模式耦合和損耗。尺寸轉換器有效地實現(xiàn)了深刻蝕和淺刻蝕波導之間的過渡。由淺刻蝕波導形成的定向耦合器控制光在諧振腔內(nèi)外的耦合。

制造工藝
) U: R+ K; X& Z制造工藝包括幾個關鍵步驟：

兩步金屬有機氣相外延(MOVPE)生長

在無源區(qū)域選擇性移除量子阱

使用i-line光刻和干法刻蝕定義波導

沉積氮化硅絕緣層

形成接觸和晶圓減薄

解理端面和可選涂層
[/ol]


圖3：各種波導橫截面和元件的掃描電子顯微鏡圖像，包括(a)深刻蝕歐拉U形彎曲，(b)深刻蝕無源波導橫截面，(c)有源-無源界面，和(d)尺寸轉換器。

波導表征
研究人員使用激光二極管的長度相關測量來表征波導損耗。結果顯示損耗非常低：

淺刻蝕無源波導：1.8 dB/cm

深刻蝕無源波導：2.2 dB/cm
& H8 p$ O2 W1 u, H
( D0 x' k; R. Z這些數(shù)值與商用磷化銦光電子集成芯片平臺相當，突顯了該砷化鎵平臺的質量。

環(huán)形諧振腔性能
制造的環(huán)形諧振腔展示了出色的性能：
+ g+ \, s+ b7 h

圖4：環(huán)形諧振腔表征結果，包括(a)器件示意圖，(b)透射光譜，(c)DFB探測激光器發(fā)射光譜，和(d)TE和TM分辨的諧振。
* Q& Q3 ^1 ~2 k7 v$ g
主要發(fā)現(xiàn)包括：
# e' C& N: n: w5 E

本征品質因數(shù)：2.6 × 10^5 (TE模式) 和 3.2 × 10^5 (TM模式)

自由光譜范圍：95.6 pm (TE) 和 92.0 pm (TM)

群折射率：3.86 (TE) 和 4.01 (TM)

% M2 o6 h* @0 Q; `; v% z這些結果超過了許多基于磷化銦的微環(huán)諧振腔達到的品質因數(shù)，展示了砷化鎵平臺的潛力。
& \% M% h$ N' O4 {
0 D" V  Y/ b/ X0 J% y% P( l- R環(huán)形諧振腔耦合激光器
為了展示該平臺的能力，研究人員制造并表征了環(huán)形諧振腔耦合激光器。這些器件使用環(huán)形諧振腔作為波長選擇元件提供反饋。
" p9 u& O+ R$ G. z: R5 |; t
+ d, w8 A! P+ b& N; g
$ O9 J' {& q2 C3 {" G5 z0 j圖5：環(huán)形諧振腔耦合激光器表征，顯示(a)器件示意圖，(b)功率-電流特性，(c)光學光譜，(d)計算的功率反射率和啁啾減小因子，(e)閾值以下的高分辨率光譜，和(f)基于傅里葉變換的腔內(nèi)反射圖。
4 f; U0 }3 D' _! S* c% z+ Q
( G0 a" O9 ]: E3 u$ A0 w- ^+ V8 `關鍵性能指標包括：

輸出功率：在150 mA注入電流下達到14 mW

單模操作，邊模抑制比高達40 dB

發(fā)射波長由光學維尼爾效應定義

高質量環(huán)形諧振腔與有源增益部分的集成為在砷化鎵平臺上實現(xiàn)窄線寬和寬可調(diào)諧激光器創(chuàng)造了可能。

挑戰(zhàn)和未來方向
所介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺展示了令人印象深刻的能力，但仍有改進的空間：

減少環(huán)形諧振腔內(nèi)波導元件的插入損耗

優(yōu)化工藝技術，消除錐形尖端處的不連續(xù)性

實現(xiàn)額外的波長選擇元件以防止模式跳變

探索具有多個略微失諧的耦合環(huán)形諧振腔的設計，以增強可調(diào)諧性和獲得更窄的線寬
[/ol]
( C) {1 r! X/ {0 S( N結論
) I: X2 P, N1 Y' m本文介紹的砷化鎵基光電子集成芯片平臺代表了在1064 nm波長附近有源和無源元件單片集成方面的重大進展。通過實現(xiàn)高質量環(huán)形諧振腔及其與激光源的耦合，這項技術為新一代緊湊、可調(diào)諧和窄線寬激光器在光譜學、光量子技術和傳感應用中的發(fā)展奠定了基礎。
" x' P7 u) ^! e6 p( n. z
( v: [! E& f$ {. w2 O在單個砷化鎵芯片上展示低損耗波導、高Q值環(huán)形諧振腔和集成激光器，顯示了該平臺在特定波長范圍內(nèi)與成熟的磷化銦和絕緣體上硅技術競爭的潛力。隨著平臺的成熟和克服當前挑戰(zhàn)，砷化鎵基光電子集成芯片有望在集成光子技術中實現(xiàn)新的突破，彌合傳統(tǒng)半導體激光器和先進光子線路之間的差距。

4 ?( z/ v& T2 J; Y/ ^1 j參考文獻
* `/ R! R- z! {8 v8 F5 Q: I: `[1] J.-P. Koester et al., "GaAs-based photonic integrated circuit platform enabling monolithic ring-resonator-coupled lasers," APL Photon., vol. 9, no. 10, p. 106102, Oct. 2024, doi: 10.1063/5.0223134.

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