IEEE SiPhotonics2025 | 硅基边缘耦合微转印单模激光器

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引言

硅基光电子(SiPh)已成为光子集成电路的理想平台，提供紧凑的尺寸和与CMOS制造工艺的兼容性。然而，由于硅的间接带隙特性，在硅上高效产生光仍然面临挑战。III-V材料与硅的混合集成为这一限制提供了解决方案。近年来，微转印技术在III-V增益元件与硅光子线路集成方面获得了显著关注。

边缘耦合是将III-V增益源与硅波导集成的实用方法，允许在打印前后进行片上测试。虽然硅绝缘体(SOI)上的边缘耦合器件主要展示了多模激射行为，但单模运行对许多应用至為重要。本文探讨了三种在硅上实现边缘耦合微转印器件单模激射的不同策略[1]。

图1. 激光器设计示意图和不同单模激光器方法的显微照片。(a)包含槽式激光器，(b)包含带微环谐振器的角度面RSOA，(c)包含耦合到DBR的角度RSOA。

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设计方法

这三种单模激射策略在220 nm SOI上实现，使用500 nm宽的全刻蚀条形波导。所有设计都使用发射波长约1550 nm的III-V增益元件，通过微转印技术集成。

槽式激光器设计：第一种方法采用长度为300 μm的槽式激光器，直接对接耦合到硅波导。该设计包含30个刻蚀槽，槽深入脊部。这些槽在折射率中创建周期性扰动，实现波长选择以获得单模运行。

带微环谐振器的扩展腔：第二种策略采用700 μm长的增益源，前表面具有10°倾角。这种反射式半导体光放大器(RSOA)耦合到500 μm长的硅波导。设计包含一个1×2多模干涉仪(MMI)，后接一个半径为25 μm的微环谐振器(MRR)。总线波导和环形波导之间的间隙为150 nm。这种配置通过MRR的反馈实现RSOA的自注入。

带分布式布拉格反射器的扩展腔：第三种方法类似于第二种，但在1 mm长的波导后用分布式布拉格反射器(DBR)替代MRR。硅波导宽度在1和1.3 μm之间交替变化，周期为295 nm。这种周期性结构在1588 nm处创建65%的反射，总共有400个周期。

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制造工艺

所有三种设计共享共同的制造元素。方形SU-8波导作为RSOA到硅波导的斑点尺寸转换器(SSC)。硅波导上100 μm长、尖端宽100 nm的锥形结构将光从SU-8绝热耦合到硅。激光通过单刻蚀光栅耦合器(GC)测量。

SOI光电子集成线路使用电子束光刻制造，采用SiO2硬掩模和Cl2刻蚀。在波导末端定义了一个沟槽，并将其刻蚀到2 μm BOx层的1.4 μm深处，以将增益块的边缘发射与SU-8波导对齐。增益元件使用100 nm厚的InterVia™粘合剂打印到沟槽中。最后，通过光刻定义SU-8波导(3×3 μm)。

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实验结果

图2. 通过光栅耦合器测量的对数刻度上的光谱与施加电流关系的3D热图，(a)槽式激光器(b)自注入MRR(c)DBR设计。

激光器通过光谱和光功率-电流(LI)测量进行表征。光谱以1 mA间隔记录，图2显示了每个器件的3D热图。槽式激光器、MRR和DBR设计的阈值电流分别测量为18 mA、28 mA和36 mA。

所有设计都展示了模式跳变，这从电流增加时功率的突然跳跃可以看出。对于槽式激光器，模式跳变源于加热导致的折射率变化，这会改变槽分布的波长峰值。共振模式随着施加电流红移，自由光谱范围(FSR)为0.96 nm。使用Δn/ΔT = 0.0002/K，估计在120 mA时温度上升28°C。

图3. 从多模光纤测量的方法(a)槽式激光器、(b)MRR和(c)DBR的LI。

MRR设计展示了3.65 nm的FSR，每个共振向RSOA提供反馈。空间共振模式FSR为0.46 nm。波长模式跳变对应于MRR的FSR。每个模式跳变都显示所有纵向模式的全局移动，表明存在全局相移。

DBR方法保持由DBR反射的模式，并且由于恒定的单一高反射点，在波长跳变方面表现出较小的不稳定性。纵向模式分离(0.42 nm)远小于DBR的反射带宽(≈ 5 nm)，导致小的周期性波长变化，因为激射波长和功率取决于这些模式与DBR反射的重叠。

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性能比较

MRR设计实现了超过40 dB的最佳边模抑制比(SMSR)。DBR提供了38 dB的SMSR，如果DBR反射更好地集中在增益波长上，这一性能可以得到改善。槽式激光器实现了30 dB的最大SMSR。

所有器件从光栅耦合器测得超过300 μW的功率，考虑到峰值GC损耗，这相当于输出时SOI波导中至少1 mW。测得从SU-8 SSC到硅波导的损耗为3.3 dB，这归因于与预期设计的制造不匹配。

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结论

本文展示了通过微转印技术实现边缘耦合器件单模激射的三种有效策略：槽式激光器、通过MRR自注入以及带DBR的扩展腔。这些方法为硅基光电子应用提供了除了倏逝波单模激光器外的替代方案。未来的工作可以专注于实现更低损耗的SSC波导和相位调谐元件，以准确设定激射波长。