带有硅光子电路的单片集成半导体激光器
发布时间：2023-06-28 08:00:00
a）最终装置的说明性视图：由生长在硅基底凹槽中的III-V族半导体层堆叠而成的激光器发出的激光耦合到SiN波导中，b）波导的彩色红外图像，证明光从SiN波导中流出，c）装置的俯视图显示激光脊与无源SiN波导完美对齐。资料来源：Andres Remis, Laura Monge-Bartolome, Michele Paparella, Audrey Gilbert, Guilhem Boissier, Marco Grande, Alan Blake, Liam O'Faolain, Laurent Cerutti, Jean-Baptiste Rodriguez, and Eric Tournié
由于成熟的硅工艺技术、大尺寸硅片和硅的光学特性，硅（Si）光子学最近已成为许多应用领域的关键使能技术。然而，由于硅基材料无法有效发光，因此需要使用其他半导体作为光源。
III-V半导体，即由元素周期表中的III-和V-列的元素组成的材料，是最有效的半导体激光源。几十年来，它们在硅光子集成电路（PIC）上的单片集成一直被认为是实现完全集成、密集的硅光子芯片的主要挑战。尽管最近取得了一些进展，但到目前为止，只有在裸硅片上生长的离散III-V族激光器被报道过。
在发表在《光科学与应用》上的一篇新论文中，一个由法国、意大利和爱尔兰的科学家组成的团队，在法国蒙彼利埃大学的Eric Tournié教授的带领下，现在已经解开了将半导体激光器有效集成到硅光子芯片上以及将光耦合到无源光子设备中的问题。
他们的方法依赖于三个支柱：Si-PIC的设计和制造、III-V材料的沉积和激光器的制造。对于这个概念验证，PIC是由透明的、S形的、嵌入二氧化硅基体的SiN波导制成的。SiO2/SiN/SiO2堆栈在凹陷区域被蚀刻掉，为III-V族材料的沉积打开Si窗口。关键是要在蚀刻后保持硅表面的高晶体质量。GaSb技术被选为III-V材料，因为它可以通过设计在整个中红外波长范围内发光，在这个范围内许多气体都有其指纹吸收线。
分子束外延（MBE），一种在超高真空下运行的技术，被用来生长半导体层栈。科学家们先前已经表明，这种技术可以去除通常发生在Si/III-V界面上的一种特定缺陷，并杀死这些设备。此外，MBE允许精确对准发射光的激光部分和SiN波导。
最后，使用微电子工艺从外延层堆栈中创建二极管激光器。在这个阶段，为了实现激光发射，必须通过等离子体蚀刻来创建高质量的镜子。尽管工艺复杂，但这些集成二极管激光器的性能与在其原生GaSb衬底上生长的二极管激光器相似。此外，激光被耦合到波导中，其耦合效率符合理论计算结果。
科学家们对这项工作进行了总结： "由于最终设备的特殊结构所带来的不同挑战（PIC的制造和图案化，在图案PIC上的再生长，凹陷区域的蚀刻面激光加工等）都被克服了，以证明激光发射和光耦合到无源波导中，其耦合效率与理论计算结果一致。
"尽管用针对气体传感应用的中红外二极管激光器进行了演示，但这种方法可以应用于任何半导体材料系统。此外，它可以扩展到任何Si-wafer尺寸，直径至少达到300毫米，外延反应器是可用的。
"报告的方法和技术将为未来的硅光子学集成电路开辟新的途径。它们解决了一个长期存在的问题，并为未来低成本、大规模、全集成的光子芯片奠定了基础"。
参考资料
Andres Remis et al, Unlocking the monolithic integration scenario: optical coupling between GaSb diode lasers epitaxially grown on patterned Si substrates and passive SiN waveguides, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01185-4
