▲第一作者：Minh A. Tran, Chong Zhang, Theodore J. Morin
通讯作者：Tin Komljenovic; 常林 (现为北京大学助理教授)通讯单位：美国Nexus Photonics公司; 美国加州大学圣塔芭芭拉分校DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05119-9集成光子学已经深刻地影响了现代社会。特别是，在芯片上制造完整光学系统的技术提供了无与伦比的可扩展性、重量、成本和功率效率。在过去的十年中，通过将集成激光与商业电子行业的大容量、先进的制造能力相结合，纯III-V材料平台到硅光子学的发展极大地拓宽了集成光子学的范围。然而，尽管具有显著的制造优势，对硅基波导的依赖性大大限制了光子集成电路(PIC)可用的光谱窗口。本文提出了一种新一代的集成光子技术，它直接将III-V材料与硅片上的氮化硅波导结合起来。利用这项技术，本文展示了一个光子能量大于硅禁带的全集成PIC，其中基本的光子组件包括激光器、放大器、光电探测器、调制器和无源器件，所有这些都工作在亚微米波长。利用该平台，可以在短波长集成激光器中实现了前所未有的相干性和可调谐性。此外，通过利用这种更高的光子能量，本文展示了出色的高温性能和高温下kHz级的基频线宽。考虑到短波长的许多潜在应用，这种集成技术的成功研发开启了一系列新的集成光子学应用。1. 集成光子学在过去的二十年中取得了快速的发展，而在其发展过程中最关键的是出现了新的集成平台(图1a)。最早的光子集成是纯粹基于自然衬底上的III-V材料，即将主动和被动光子组件组合在一个芯片上形成光学系统。这种方法催生了第一代商业上可行的光子技术的应用。从那时起，集成光电子受益于电子行业的扩张，导致硅光电子(SiPh)的大量采用。尽管III-V制造没有跟上硅的发展步伐，但通过以各种不同的方式异质结合III-V外延，在大规模绝缘体上硅(SOI)晶片上制造光子集成电路(PIC)是可能的.2. 然而，随着应用范围的扩大，SOI平台的局限性开始浮出水面。一个来自硅的带隙波长(约为1.1 μm)(图1b)。低于此波长的SOI光波导具有很强的吸收能力。因此，最先进的集成光子学目前无法利用紫外线(UV)、可见光和很大一部分近红外(Near-IR)。这一限制大大阻碍了原子物理、增强现实/虚拟现实、生物传感和量子通信的发展。▲图 2 |具有一整套支持亚微米波长的无源和有源组件的氮化硅非均相光子学平台1. 异质III-V/SiN光子器件是由键合在SiN波导上的III-V基外延层结构组成的。图2a显示了III-V/SiN异质光子器件的简化制造工艺流程。图2b显示了一张在4 英寸硅衬底上制造了成百上千个激光器的完整晶圆的照片。扫描电子显微镜图像(图2c(I-IV))分别示出了单个SiN波导、一个耦合器、一侧具有III-V/SiN耦合器的III-V波导以及通过SiN波导与光电二极管阵列连接的激光器阵列。2. 图2d显示了为集成原子钟系统提出的集成PIC，目的是为了说明了具有直接III-V/SiN耦合的完全集成的短波长PIC系统的潜力。基本组件已在980 nm左右被制备出来并进行了表征，如图2e所示。FP激光器由背面接近100%的环镜和正面的10%反射镜组成，目的是为了提供了光源。结果显示，800 μm长FP激光器的阈值电流为12 mA，输出功率和斜率效率分别超过25 mW和0.38 W A−1。1. 作为概念验证，本文对一个工作在980 nm的集成激光器进行了实验，它由一个砷化镓增益区和一个氮化铟外腔组成。图3a, b显示了游标环（Vernier rings）的原理和激光器的原理图。激光器在增益峰值附近的输出功率大于10 mW，如图3c中的LI (光电流) 曲线所示，而波长保持在976.5 nm左右。对于75 mA的固定增益电流，整个波长范围内的功率输出高于6 mW。2. 图3e显示了用延迟自外差设置和互相关技术测量的980 nm波长下激光噪声的双面功率谱密度。在低偏置频率(f)范围内，光谱主要由1/f噪声控制，这在半导体激光器中很常见。在100 kHz到30 MHz范围内，激光噪声主要是热折射噪声(thermorefractive noise)。3. 另外，III-V/SiN异质激光器也显示出良好的幅度噪声性能，其相对强度噪声低于−155 DB Hz−1(测量工具的噪声底限)，位于2 GHz偏移频率附近的弛豫振荡共振之外，如图3f所示。1. 集成光子学的一个待解决的问题是高效的主动冷却。随着半导体激光器的性能在高温下的急剧下降，有必要对PIC进行冷却以保持其性能。激光器的热退化是由于载流子的费米分布在升高的温度下更广泛地扩展而导致的增益降低，以及通过各种机制造成的辐射载流子的损失，特别是载流子在异质结上的泄漏，俄歇复合和价带间的吸收 (图4a)，所有这些都随着温度的增加呈现指数级增长。在这三种载流子损耗机制中，俄歇复合和价带复合都随着材料带隙的增加而指数级减小。2. 为了研究热性能，本文对异质III-V/SiN FP激光器在25℃到185℃的温度下进行了LI测量，如图4c所示。连续波激光的温度高达185℃，这是迄今为止集成在硅芯片上的所有激光器的最高工作温度，显著高于之前的记录(150℃)。本研究表明，高达90℃的阈值电流可用一个指数模型很好地描述，其特征T0为148 K(图4d)，与衬底上的二极管激光器中最好的热性能持平。3. 此外，光谱测量表明，激光波长窗口以0.33 nm K−1的速率红移，在185℃时，最大激光波长为1044.5 nm，比室温下的红移大50 nm以上，如图4e, f所示。使用本工作中演示的集成策略，硅光子学的波长范围可以通过基于GaAs的材料（GaP，InGaP，AlGaAs）向下扩展到绿色波长，并通过结合基于GaN的材料向下扩展到蓝色，紫色和紫外线范围。凭借最近在蓝色和紫色波长上表征的超低损耗SiN波导，可以在整个可见光波长范围内生产可扩展的PIC。最后，由于该平台的制造与现有的生产异质III-V/Si光子学的生产线兼容，本文预计该技术不久将被应用于更大规模的大批量生产。由于绝缘体上SiN的材料成本低于SOI，这一发展将使III-V/SiN在经济上优于现在无处不在的III-V/Si，从而降低整个行业的成本，并真正彻底改变集成光子学。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05119-9
几个月前舒浩文/常林/陶源盛/沈碧涛（共一）、王兴军/John E. Bowers（通讯作者）等人Nature文章：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04579-3
https://photonics.pku.edu.cn更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。