IEEE SiPhotonics2025 | 基于氮化硅商用平台的两步微转印维尼尔激光器

引言

硅基光电子技术已成为解决高速、高带宽在线通信不断增长需求的有效技术方案。利用成熟的CMOS制造工艺能够实现光子集成线路的低成本、大批量生产。然而，硅材料本身在高效生成、探测和调制光方面存在固有局限性。本文介绍了一种通过在氮化硅平台上进行异质集成来克服这些限制的新方法[1]。

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异质集成技术简介

高速、高带宽在线通信的需求不断增加（以每月艾字节计），突显了对可扩展、低延迟和高能效解决方案的需求。硅基光电子技术已成为满足这些需求的重要技术，提供了多项关键优势，包括能够利用成熟的CMOS制造工艺，从而实现低成本、大批量生产。

然而，尽管具有这些优势，硅材料本身在高效生成、探测和调制光方面存在固有局限性。为克服这些挑战并扩展集成光子技术在传统光纤通信之外的应用，近期的研究重点转向了将其他材料集成到硅基底上。这解锁了激光雷达、生物传感和光计算等多个领域的新功能和应用。

在各种异质集成技术中，微转印显示出了与半导体光放大器(SOAs)、锁模激光器(MLLs)、分布反馈(DFB)激光器、垂直外腔面发射激光器(VCSELs)、PIN光电二极管和薄膜铌酸锂调制器等组件集成的卓越兼容性，解决了硅材料固有的局限性并拓宽了潜在应用范围。

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激光器腔设计

激光器腔体结合了萨格纳克环镜和双环镜，其设计遵循已建立的方法。微环谐振器略有不同的自由光谱范围(FSRs)创造了维尼尔效应。

环形定向耦合器的交叉耦合系数和单个环的FSRs设计为实现40 nm和30 nm两个可调谐范围。此外，集成了Cr/Au双层热光相移器(TOPS)以实现输出波长选择和腔体相位控制。

图1：(a) 芯片光学显微镜图像，显示维尼尔滤波器、腔体TOPS和萨格纳克环镜组件；(b) 激光器LIV曲线，显示电流、电压和光功率输出之间的关系；(c) 两步制程的详细显微镜图像，显示InP、Si锥形结构和凹槽区域的横截面，以及包括SiO₂、SiN、BCB、Si、Al₂O₃和InP在内的各种材料层。

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器件制造流程

前端制造由位于巴塞罗那的微电子研究所(Instituto de Microelectronica de Barcelona – Centro Nacional de Microelectronica, IMB-CNM)的CMOS晶圆厂完成。

这项工作使用基于转印技术的异质集成方法，将薄膜或组件（称为"晶粒"）拾取并放置在目标基底上。方法涉及两步转印制程。首先，转印一个400 nm厚的矩形硅层，该层充当中间结构，改善氮化硅波导与有源光学组件之间的模式耦合。第二步，将SOA转印到这个硅层上。

应用一层薄的苯并环丁烯(BCB)作为粘合剂，增强转印晶粒的粘结力。

为解决氮化硅(n ≈ 2 @ 1.55 µm)与硅(n ≈ 3.5 @ 1.55 µm)之间的折射率不匹配问题，使用电子束光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术在硅层上制作窄锥形结构。这些锥形结构首先促进氮化硅波导与中间硅层之间的倏逝耦合。由于硅与磷化铟(InP)之间的折射率不匹配较小，这一中间步骤允许更有效地耦合到InP放大器(n ≈ 3.15 @ 1.55 µm)。

最后，通过溅射和剥离技术沉积1000 nm金和40 nm钛双层，形成SOA和激光器腔体的接触垫。

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器件表征

最大边模抑制比(SMSR)在增益峰值处计算，约1540 nm，在最大SOA偏置(2.1 V @ 180 mA)下，其值为38.94 dB，耦合到光纤的输出功率为-30 dBm（由于光栅耦合器损耗高≈ 20 dB/耦合器）。

通过对维尼尔配置中的单个环进行电压扫描，激光模式可以在总计34 nm的范围内调谐。

图2：CWL最大可调谐范围，展示激光器34 nm的波长调谐能力。

通过分析较高频率下的频率噪声，此时测量相对不受电子设备、振动和其他环境因素的技术噪声影响，这一白噪声水平对应于修正的肖洛-汤恩斯线宽πS₁₂(f) ≈ 90 kHz。

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两步微转印方法的优势

两步微转印制程与传统集成方法相比提供了几个关键优势：

• 改善模式耦合：中间硅层增强了氮化硅波导与有源InP放大器之间的耦合。
• 折射率匹配：该方法通过使用硅作为中间层解决了氮化硅与InP之间显着的折射率不匹配问题。
• 灵活性：该技术允许精确放置组件，实现更复杂的集成光子系统。
• 可扩展性：该制程与晶圆级制造兼容，支持大批量生产。
• 商业可行性：在VLC Photonics和INB-CNM的商用平台上的示范使该技术更易于客户使用。
  
  

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性能与应用

这一新成果展示了首个在VLC Photonics和INB-CNM的300 nm厚氮化硅商用平台上的异质集成连续波激光器(CWL)，利用两步微转印制程。该器件实现了34 nm的可调谐范围，肖洛-汤恩斯线宽为90 kHz。

该激光器的性能特征使其适用于多种应用：

• 电信：34 nm的可调谐范围覆盖了光通信C波段的大部分。
• 传感：窄线宽使其适用于高精度传感应用。
• 激光雷达：激光器可作为集成激光雷达系统的光源。
• 量子计算：受控的波长输出对光量子线路非常有价值。
  
  

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结论

这项工作成功地展示了VLC-CNM氮化硅平台上首个异质集成连续波激光器，利用两步微转印技术在C波段实现了34 nm的可调谐范围。尽管由于平台损耗导致观察到的线宽高于预期，但这一成果增强了VLC Photonics商用平台的能力，拓宽了功能并为客户提供了新的可能。

未来的研究将专注于减小线宽和增加输出功率，以实现更窄的线宽，从而提高性能并获得更具竞争力的解决方案。

在氮化硅平台上集成有源光子组件代表了向全集成光子线路迈进的显着进步，可用于下一代通信、传感和计算应用。本文概述了首个在商用氮化硅平台上异质集成激光器的设计、制造和表征，展示了两步微转印作为解决硅基光电子局限性的有效方法。