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氮化硅已成為可見光和近可見光波段光子線路的首選平臺。與硅不同，氮化硅提供卓越的寬帶透明性，延伸至約400納米波長，同時具有極低的光學損耗，低于0.1分貝每米。這個透明窗口完美匹配銣原子光譜學的需求，該應用需要780和795納米附近的激光波長用于原子冷卻和捕獲。該材料還支持超高品質因子微腔，這對非線性光學過程具有必要性，使其成為復雜光子系統的理想襯底。然而，氮化硅本身無法高效產生光，因此需要集成來自III-V族半導體系列的有源增益材料，特別是基于砷化鎵和磷化銦鎵砷的化合物。

圖1：異質集成平臺概覽，顯示簡化的微轉印工藝流程、晶圓級方法、氮化硅與III-V波導之間光學模式對比（96%重疊度）、印刷耦合器的顯微鏡和掃描電鏡圖像展示優異對準精度，以及氮化硅波導組件包括光柵耦合器和薩格納克環形鏡。

III-V增益材料與氮化硅波導的集成面臨基礎光學挑戰，根源在于這些材料之間顯著的折射率對比。III-V半導體通常表現出超過3的折射率，而氮化硅的折射率約為2。這種失配造成顯著的模式重疊困難，先前的方法通過中間耦合結構或薄硅層來解決這個問題。然而，這些解決方案要么在較短波長處因硅吸收而失效，要么需要復雜的制造流程，涉及在III-V集成后進行介電波導沉積和圖案化。研究團隊開發了一種采用直接對接耦合的替代方法，將III-V波導端面直接定位在氮化硅波導端面附近，保持最小間距。該方法通過精心設計外延層厚度來垂直對齊兩種材料之間的光學模式，從而實現高效光傳輸，計算得出的模式重疊度達到96%。對接耦合方法提供與波長無關的操作特性和極寬的帶寬，使相同的集成技術能夠在氮化硅的整個透明范圍內工作。

微轉印代表了異質集成的范式轉變，相比傳統的芯片到芯片鍵合方法提供可擴展性優勢。該工藝始于在砷化鎵源晶圓上制造的完全加工III-V激光器件。這些器件稱為耦合器，包含完整的激光結構，具有量子阱增益區、脊形波導、電接觸和金屬背鏡。通過選擇性化學蝕刻犧牲磷化銦鎵層，耦合器從原生襯底上釋放，同時通過光刻膠錨點保持連接。彈性聚二甲基硅氧烷印章通過斷開這些弱連接拾取懸浮的耦合器，然后將其轉移到目標氮化硅晶圓上，在那里精確對齊并印刷到蝕刻的凹槽中。目標晶圓具有預圖案化的氮化硅波導和氧化硅包層，凹槽通過氧化物層蝕刻以暴露下方的硅襯底。這種直接放置在硅上而非氧化物上的方式提供優于晶圓鍵合方法的熱管理能力，在鍵合方法中III-V與硅之間被絕緣氧化物層分隔。

圖2：III-V耦合器制備的詳細工藝步驟，顯示外延層堆疊組成、耦合器制造階段包括脊形波導形成和金屬接觸沉積、源襯底上帶有后端面金涂層的懸浮耦合器、連續波光-電流-電壓特性展示超過70毫瓦輸出功率和20%壁插效率、反射型半導體光放大器的內部小信號增益超過30分貝，以及中心波長796納米的光發射光譜。

砷化鎵基激光耦合器展現出卓越性能，為集成器件功能奠定基礎。采用四個量子阱設計用于800納米附近發射的這些1毫米長法布里-珀羅激光器實現了顯著的輸出功率，在150毫安注入電流下超過70毫瓦。閾值電流密度為2.4千安培每平方厘米，斜率效率為0.72瓦每安培，反映了外延材料和器件加工的高質量。或許最值得注意的是，這些器件即使在電流密度超過7千安培每平方厘米時也沒有表現出熱翻轉，驗證了與硅襯底直接接觸提供的優異散熱能力。壁插效率超過20%，展示了砷化鎵量子阱激光器固有的效率優勢。對于需要光放大的應用，帶有傾斜前端面的反射型半導體光放大器版本實現了超過30分貝的凈內部增益，在15納米帶寬范圍內保持20分貝增益。這種寬增益光譜使得可以利用外腔反饋和波長選擇組件（如集成在氮化硅中的游標環形濾波器或分布式布拉格反射器結構）實現寬調諧單模激光器。

微轉印集成技術支持復雜的擴展腔激光器架構，充分利用III-V增益和氮化硅無源組件的互補優勢。這些激光器結合了具有金背鏡的反射型半導體光放大器耦合器與包含低損耗波導螺旋和用作輸出耦合器的部分反射薩格納克環形鏡的氮化硅外腔。擴展腔方法與單片III-V激光器相比顯著增加了光子壽命，降低了光學噪聲并改善了光譜純度。測量的9.2千兆赫自由光譜范圍器件（對應約16毫米腔長）在100毫安增益電流下提供超過4毫瓦的波導耦合連續波輸出功率。48毫安的激光閾值與獨立法布里-珀羅耦合器閾值密切匹配，確認了高效集成。對總腔損耗的分析顯示，排除輸出耦合后約有9分貝的往返損耗，其中約3.2分貝歸因于氮化硅波導和組件損耗，5.8分貝來自III-V與氮化硅之間的耦合損耗。這產生了約51%的單程耦合效率，與86%的最大模擬耦合效率之間的差異源于對準公差、凹槽蝕刻角度施加的端面間距以及制造缺陷。

圖3：完全集成擴展腔鎖模激光器，顯示可飽和吸收體部分、增益部分、低損耗氮化硅螺旋和環形鏡，以及與等效自由空間激光系統的比較、對比多模與鎖模操作的時域場表示，以及通過側壁散射和光柵耦合器發射展示擴展腔激光的明場和暗場顯微鏡圖像。

鎖模激光器代表了需要短光脈沖和光學頻率梳的應用的關鍵功能。該研究通過電隔離半導體光放大器的一小部分作為可飽和吸收體來演示被動鎖模。當反向偏置時，該部分在低強度下吸收光，但當暴露于高光功率時變得透明，因為電子在導帶中積累，耗盡基態吸收。這種非線性行為鎖定了縱向腔模的相位，這些模式在標準法布里-珀羅激光器中會以隨機相位振蕩。產生的脈沖串表現出由腔自由光譜范圍決定的重復頻率，通過改變氮化硅波導螺旋長度制造了工作在3.2、7.5和9.2千兆赫的器件。擴展的氮化硅腔通過增加腔光子壽命，與單片III-V鎖模激光器相比顯著增強了噪聲性能。通過增益電流和可飽和吸收體電壓參數空間的二維映射進行綜合表征，揭示了產生平均功率達到數毫瓦和脈沖能量高達0.27皮焦耳的脈沖串的穩定鎖模區域。

圖4：擴展腔連續波和鎖模激光器的綜合性能表征，包括測量裝置、顯示9.2千兆赫激光器超過4毫瓦波導耦合輸出的連續波光-電流特性、多模法布里-珀羅光譜、3.2千兆赫重復頻率的實時示波器脈沖串、跨越3.5納米包含525條梳線的鎖模光譜、顯示參數空間中輸出功率和基頻線寬的鎖模映射圖、顯示50分貝消光比的射頻梳、基頻射頻線測量，以及揭示519赫茲洛倫茲線寬（對應51飛秒時序抖動）的單邊帶相位噪聲。

鎖模激光器展示了出色的被動穩定性指標，使其與最先進器件具有競爭力。在85毫安增益電流和負1.3伏可飽和吸收體偏置的最佳工作點，3.2千兆赫器件產生最寬的光譜，具有3.5納米的10分貝帶寬，轉換為1.7太赫茲的光譜覆蓋范圍，包含525條獨立梳線。射頻光譜分析顯示出卓越的純度，基頻音調在噪聲本底之上表現出約50分貝的消光比，受限于電頻譜分析儀靈敏度而非激光器本身。單邊帶相位噪聲測量能夠通過洛倫茲擬合提取基頻射頻線寬，產生非常窄的519赫茲線寬。這對應于僅51飛秒的最小脈沖間時序抖動，表明在沒有任何主動反饋穩定的情況下具有優異的被動穩定性。這種低噪聲性能直接有利于光學頻率計量、微波光子信號產生和精密光譜學等應用，這些應用對相位相干性和時序穩定性有嚴格要求。

雖然演示的器件已經顯示出令人印象深刻的性能，但系統分析揭示了通過設計和制造優化實現大幅改進的明確路徑。當前的輸出功率限制主要源于薩格納克環形鏡75%的高反射率，選擇該值是為了最大化光子壽命和最小化噪聲，但降低了輸出耦合效率。模擬表明，將鏡面反射率降低到10%將使優化的擴展腔連續波激光器在100毫安時的波導耦合輸出功率增加到約30毫瓦，在150毫安注入電流下進一步增加到60毫瓦。耦合效率改進代表另一個主要機會，目前的損耗主要由凹槽蝕刻側壁角度施加的約450納米最小端面間距主導。優化該蝕刻以實現垂直側壁并實施對準規格為正負0.5微米的更精確微轉印工具，可以將總反饋腔損耗從當前的9分貝降低到約2分貝。這些綜合優化將使擴展腔激光器能夠在中等電流下以10%輸出耦合鏡提供30毫瓦，或者使鎖模激光器的脈沖能量超過3皮焦耳，代表比當前演示提高約十倍。

這里演示的微轉印集成平臺遠遠超出了所展示的具體器件，為以前無法實現的復雜多功能光子系統打開了通道。直接對接耦合的波長無關特性使得能夠立即擴展到使用替代III-V材料的更短波長，例如用于紅光發射的磷化銦鎵，或用于藍光和紫外波長的氮化鋁鎵和氮化鋁。不同的波導平臺，包括絕緣體上薄膜鈮酸鋰和氧化鋁，同樣可以從這種集成方法中受益。微轉印的靈活性允許在單個芯片上共同集成不同組件，例如將激光器與先前演示的微轉印薄膜鈮酸鋰電光調制器結合用于高速光互連，或集成硅光電探測器用于片上監測和傳感。對于原子鐘應用，這里演示的鎖模激光器可以泵浦高品質因子氮化硅環形諧振器或共同集成的磷化鎵波導，以產生用于頻率到頻率參考的倍頻程跨越超連續譜。與標準互補金屬氧化物半導體加工基礎設施的兼容性以及對昂貴III-V材料的高效利用使這種方法在商業可擴展性方面處于有利地位。隨著技術成熟，晶圓級集成將支持用于增強現實顯示、量子計算平臺、精密導航系統和便攜式原子鐘的復雜光子系統的大批量制造，將實驗室能力帶入緊湊的可部署封裝。