在氮化硅平台上实现800纳米波长的微转移印刷连续波激光器与锁模激光器的集成

《Laser & Photonics Reviews》：Micro-Transfer Printed Continuous-Wave and Mode-Locked Laser Integration at 800 nm on a Silicon Nitride Platform

微转移印刷技术实现III-V/SiN异质集成，在800nm波长下成功构建连续波和锁模激光器，输出功率达4mW，射频线宽低至519Hz，为AR/VR、量子计算等提供高稳定性光子平台。

　　在现代科技迅速发展的背景下，光子集成技术正逐渐成为推动高性能光学设备发展的关键。光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs）通过将多种光学功能集成到单一芯片上，显著提升了系统的集成度、能效以及稳定性，从而为多个前沿领域提供了重要的技术支撑。这些领域包括增强现实（Augmented Reality, AR）和虚拟现实（Virtual Reality, VR）、光学原子钟、量子计算以及非线性光子学等。然而，对于在可见光波段（特别是短波长区域）工作的激光源，实现其与低损耗硅氮化物（Silicon Nitride, SiN）波导平台的高效集成仍然面临诸多挑战。传统硅基平台（如硅光子学中的硅-绝缘体结构）在短波长区域由于其相对较小的带隙，难以满足高性能光子器件的需求。因此，寻找一种能够实现高效光耦合并支持短波长激光源的集成方法成为研究的重点。

硅氮化物波导平台因其在短波长区域的高透光性和极低的光损耗，被认为是实现短波长光子集成的理想选择。然而，硅氮化物与III-V族半导体材料（如砷化镓、磷化铟等）之间的折射率差异较大，使得直接耦合变得困难。此前，许多研究集中在电信波段（如1310 nm和1550 nm）的III-V与SiN集成方案，主要依赖于渐进式耦合结构或中间硅层的辅助，但这些方法在短波长区域存在耦合效率低、热管理困难等问题。因此，为了克服这些限制，研究者们提出了一种基于微转移印刷（Micro-Transfer Printing, MTP）技术的集成方法，能够在硅基SiN平台上实现III-V材料的高效、可扩展集成。

微转移印刷技术的核心在于将预处理的III-V器件（如激光器、半导体光放大器等）通过高精度的印刷过程直接转移到硅基波导平台上，从而避免了传统工艺中复杂的耦合结构和热管理问题。这种方法不仅提高了耦合效率，还为实现高性能、低噪声的激光系统提供了新的可能性。特别是在800 nm波段，研究团队展示了基于微转移印刷技术的高效GaAs基激光器“coupon”（即用于集成的微小激光模块），这些coupon在波导耦合后的输出功率可达4 mW以上，且具备优异的被动稳定性，其基本射频线宽（RF linewidth）低至519 Hz。这一成果表明，微转移印刷技术在短波长区域具有显著的优势，能够支持复杂、高能效的激光系统，为未来在非线性光子学、时间计量、量子计算和芯片级光学原子钟等领域的应用奠定了基础。

在具体实现中，研究团队通过在SiN波导平台上制造蚀刻凹槽，并将III-V材料通过微转移印刷技术直接放置在该凹槽中，实现了与SiN波导的直接对接（butt-coupling）。这一过程的关键在于精确控制III-V材料的厚度，使其与SiN波导的模式相匹配，从而实现高效的光耦合。通过这种方式，激光器的输出功率得以最大化，同时其热特性也得到了显著改善，因为III-V材料直接与硅基底接触，能够更有效地散热。此外，微转移印刷技术允许在芯片制造的后端（back-end-of-line）进行III-V材料的集成，避免了与CMOS工艺兼容性问题，使得III-V材料的使用更加灵活和高效。

在实际应用中，该集成方法不仅能够实现连续波（Continuous-Wave, CW）激光器的稳定输出，还支持模式锁定（Mode-Locking）技术，从而生成超短脉冲序列。模式锁定激光器在非线性光子学和高精度时间计量中具有广泛应用，例如用于生成超宽谱光梳（optical frequency comb）以实现高精度频率测量。通过在激光腔中引入饱和吸收体（Saturable Absorber, SA），模式锁定激光器能够锁定多个纵向腔模的相位，从而生成稳定的脉冲序列。在本研究中，团队成功实现了800 nm波段的模式锁定激光器，其重复频率范围从3.2 GHz到9.2 GHz，脉冲能量可达0.27 pJ。这些结果不仅展示了微转移印刷技术在短波长区域的可行性，也表明其在构建高性能、全集成的光子系统方面具有巨大的潜力。

为了进一步提升激光器的性能，研究团队还探讨了多种优化策略。例如，通过调整饱和吸收体的反射率，可以有效平衡输出功率与噪声性能。当使用较高的Sagnac镜反射率（如75%）时，虽然能够显著延长光子在腔内的寿命，从而降低激光器的噪声，但会牺牲部分输出功率。反之，如果选择较低的反射率（如10%），则可以提高输出功率，但可能影响激光器的稳定性。因此，如何在输出功率和噪声性能之间找到最佳平衡点，是优化激光器性能的重要方向。此外，团队还发现，SiN反馈腔的额外损耗也是影响输出功率的一个重要因素。通过优化SiN波导和相关组件的设计，以及改进微转移印刷过程中的对准精度，可以显著降低这些损耗，从而提升整体系统的性能。

在技术实现方面，微转移印刷过程需要对多个关键参数进行精确控制，包括III-V材料的厚度、蚀刻深度、以及波导侧壁的角度等。这些参数的优化直接影响光耦合效率和激光器的稳定性。例如，通过控制SiN波导的蚀刻角度，可以确保III-V材料的表面与波导的模式在垂直方向上高度匹配，从而实现高效的光传输。同时，使用低损耗的SiN波导平台，能够进一步减少光子在波导中的散射和吸收，提高系统的整体效率。此外，团队还利用了先进的电子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching, RIE）技术，以实现对SiN波导的精确加工和对III-V材料的高精度转移。

在实验验证方面，团队通过一系列测试手段对集成后的激光器进行了全面评估。其中包括对激光器的连续波输出特性进行测量，以及对模式锁定激光器的脉冲序列和光谱进行分析。测试结果显示，微转移印刷技术能够有效提升激光器的性能，使其在800 nm波段实现高输出功率和低噪声水平。例如，对于3.2 GHz模式锁定激光器，其在85 mA增益电流和–1.3 V饱和吸收体偏压下的输出功率达到4 mW，且脉冲能量可达0.16 pJ。这些结果表明，该技术在实现高性能激光系统方面具有显著优势，能够满足多种高精度光学应用的需求。

除了提升激光器的性能，该研究还展示了微转移印刷技术在构建复杂光子系统方面的灵活性。通过将III-V材料与SiN波导平台相结合，研究团队能够设计出多种新型的光子器件，如非线性光学组件、超连续谱光源（supercontinuum sources）以及高精度频率稳定装置等。这些器件在芯片级原子钟、微波光子学和量子计算等领域具有重要的应用价值。例如，结合高Q值的SiN环形谐振器或非线性GaP波导，可以实现高效的超连续谱光源，用于芯片级原子钟中的f–2f参考技术。此外，微转移印刷技术还可以用于集成其他类型的光子组件，如基于蒸发波导的光调制器或高精度探测器，从而构建更加复杂的光子系统。

值得注意的是，该研究不仅关注于技术实现，还强调了其在大规模生产中的可扩展性。微转移印刷技术能够在整个晶圆级别（wafer-scale）进行操作，这意味着该方法可以适用于工业级的光子芯片制造。相比传统的晶圆键合（wafer bonding）技术，微转移印刷能够在不破坏原始III-V材料的基础上，将其高效地转移到目标基底上，从而避免了复杂的后处理步骤。这种可扩展性使得该技术在商业化应用中具有极大的潜力，特别是在需要高集成度和低功耗的领域，如AR/VR设备、量子计算芯片和高精度光学传感器等。

此外，该研究还提出了一些潜在的改进方向，以进一步提升激光器的性能和系统的稳定性。例如，通过优化饱和吸收体的设计和制造工艺，可以进一步降低激光器的噪声水平，提高其在高精度应用中的可靠性。同时，改进III-V材料与SiN波导之间的耦合结构，如使用更先进的模式转换器（mode-shape converting taper）或优化 MMI（多模干涉仪）的结构，也能够显著提升光耦合效率。在这些优化措施的推动下，团队预计未来可以实现更高功率的激光输出，甚至达到60 mW以上的水平，从而满足更广泛的应用需求。

综上所述，这项研究通过微转移印刷技术，成功实现了III-V材料在800 nm波段的高效集成，为构建高性能、全集成的激光系统提供了新的思路和技术路径。该方法不仅克服了传统耦合结构的局限性，还展示了在短波长区域实现低噪声、高稳定性的潜力。随着技术的不断进步，微转移印刷有望成为未来光子集成领域的重要工具，推动更多高精度光学应用的发展。