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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
光電子集成芯片(PIC)技術(shù)已經(jīng)改變了光通信和傳感技術(shù)。盡管磷化銦(InP)和絕緣體上硅(SOI)平臺(tái)在光電子集成芯片領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但砷化鎵(GaAs)在某些波長范圍內(nèi)具有獨(dú)特優(yōu)勢。本文探討新型砷化鎵基光電子集成芯片平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了環(huán)形諧振腔耦合激光器的單片集成，標(biāo)志著砷化鎵光子技術(shù)取得了重大進(jìn)展[1]。
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) k5 J; a. g5 G5 X% C: P
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% X5 n  g$ V0 D  L, e- [$ b* H1 G! y砷化鎵的優(yōu)勢
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(gè)光譜區(qū)域?qū)Χ喾N應(yīng)用具有重要意義，包括光譜學(xué)、光量子技術(shù)和生物傳感/生物成像。然而，許多應(yīng)用需要比標(biāo)準(zhǔn)法布里-珀羅激光器更復(fù)雜的光源，這就需要集成額外的波導(dǎo)元件，如波長選擇元件、緊湊型彎曲、耦合器和相移器。

5 i0 G$ c' G% K" {& f- Y2 ~9 b平臺(tái)設(shè)計(jì)
  T+ ?& b) J0 m$ M* I* J本文介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺(tái)采用了兩步外延生長工藝，并進(jìn)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(dǎo)能夠集成在同一芯片上。該平臺(tái)支持四種類型的波導(dǎo)：

淺刻蝕有源波導(dǎo)

淺刻蝕無源波導(dǎo)

深刻蝕有源波導(dǎo)

深刻蝕無源波導(dǎo)
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; w" q& ^) h& R5 Y圖1：所介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺(tái)的不同波導(dǎo)橫截面示意圖，展示了每種波導(dǎo)類型的可能用途。

淺刻蝕波導(dǎo)設(shè)計(jì)為僅支持基本模式，而深刻蝕波導(dǎo)提供高平面光學(xué)限制，這對于緊湊型彎曲結(jié)構(gòu)是必要的。垂直結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以最小化損耗，提供強(qiáng)光學(xué)限制，并減少有源/無源界面處的寄生反射。

# x  }5 O  ~, n" ~8 a3 R環(huán)形諧振腔設(shè)計(jì)
為了展示該平臺(tái)的能力，研究人員設(shè)計(jì)和制造了跑道型環(huán)形諧振腔。這些諧振腔結(jié)合了緊湊的深刻蝕U形彎曲和直的低損耗淺刻蝕波導(dǎo)，通過模式尺寸轉(zhuǎn)換器連接。
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1 \$ v( x5 u- y4 U3 ^  S圖2：(a) 環(huán)形諧振腔設(shè)計(jì)的示意圖，包括歐拉U形彎曲、尺寸轉(zhuǎn)換器和定向耦合器。(b-d) 各種波導(dǎo)元件的仿真結(jié)果。
1 d% }5 ?8 n: {0 B, R) ]. |) ?
U形彎曲采用歐拉曲線以最小化模式耦合和損耗。尺寸轉(zhuǎn)換器有效地實(shí)現(xiàn)了深刻蝕和淺刻蝕波導(dǎo)之間的過渡。由淺刻蝕波導(dǎo)形成的定向耦合器控制光在諧振腔內(nèi)外的耦合。

, B0 L7 _- f4 n3 c% e! d) ?制造工藝
5 Z" {+ T/ t: \2 ^' X3 c$ `制造工藝包括幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

兩步金屬有機(jī)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(dǎo)

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
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" q$ X: m7 a# P1 n9 b
圖3：各種波導(dǎo)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(dǎo)橫截面，(c)有源-無源界面，和(d)尺寸轉(zhuǎn)換器。
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波導(dǎo)表征
/ V7 V% L2 z- p* \0 E. t% Q研究人員使用激光二極管的長度相關(guān)測量來表征波導(dǎo)損耗。結(jié)果顯示損耗非常低：

淺刻蝕無源波導(dǎo)：1.8 dB/cm

深刻蝕無源波導(dǎo)：2.2 dB/cm
/ f2 x. o5 S. U7 d0 m, p0 R
! t% j: R  C5 y, _8 T. N4 w這些數(shù)值與商用磷化銦光電子集成芯片平臺(tái)相當(dāng)，突顯了該砷化鎵平臺(tái)的質(zhì)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：
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' s! u: \3 E: ^: {圖4：環(huán)形諧振腔表征結(jié)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。
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- S5 p7 H7 S" M6 ?/ u主要發(fā)現(xiàn)包括：

本征品質(zhì)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)

$ {, L+ l2 z1 w4 Q這些結(jié)果超過了許多基于磷化銦的微環(huán)諧振腔達(dá)到的品質(zhì)因數(shù)，展示了砷化鎵平臺(tái)的潛力。

環(huán)形諧振腔耦合激光器
" C( T: _; U# ^為了展示該平臺(tái)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。
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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(xué)光譜，(d)計(jì)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。

關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：

輸出功率：在150 mA注入電流下達(dá)到14 mW

單模操作，邊模抑制比高達(dá)40 dB

發(fā)射波長由光學(xué)維尼爾效應(yīng)定義
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高質(zhì)量環(huán)形諧振腔與有源增益部分的集成為在砷化鎵平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)窄線寬和寬可調(diào)諧激光器創(chuàng)造了可能。

$ l$ P$ A/ f3 I3 N挑戰(zhàn)和未來方向
) v. e0 k5 D0 _9 |/ T% a4 P所介紹的砷化鎵光電子集成芯片平臺(tái)展示了令人印象深刻的能力，但仍有改進(jìn)的空間：

減少環(huán)形諧振腔內(nèi)波導(dǎo)元件的插入損耗

優(yōu)化工藝技術(shù)，消除錐形尖端處的不連續(xù)性

實(shí)現(xiàn)額外的波長選擇元件以防止模式跳變

探索具有多個(gè)略微失諧的耦合環(huán)形諧振腔的設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)可調(diào)諧性和獲得更窄的線寬
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結(jié)論
- ^# J  O2 ~5 S2 p* r本文介紹的砷化鎵基光電子集成芯片平臺(tái)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(jìn)展。通過實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量環(huán)形諧振腔及其與激光源的耦合，這項(xiàng)技術(shù)為新一代緊湊、可調(diào)諧和窄線寬激光器在光譜學(xué)、光量子技術(shù)和傳感應(yīng)用中的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
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- ?, `1 h7 O6 C7 X+ G/ J在單個(gè)砷化鎵芯片上展示低損耗波導(dǎo)、高Q值環(huán)形諧振腔和集成激光器，顯示了該平臺(tái)在特定波長范圍內(nèi)與成熟的磷化銦和絕緣體上硅技術(shù)競爭的潛力。隨著平臺(tái)的成熟和克服當(dāng)前挑戰(zhàn)，砷化鎵基光電子集成芯片有望在集成光子技術(shù)中實(shí)現(xiàn)新的突破，彌合傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器和先進(jìn)光子線路之間的差距。
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參考文獻(xiàn)
[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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