APL Photonics | 砷化镓基光电子集成芯片：实现单片集成环形谐振腔耦合激光器

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引言
光电子集成芯片(PIC)技术已经改变了光通信和传感技术。尽管磷化铟(InP)和绝缘体上硅(SOI)平台在光电子集成芯片领域占据主导地位，但砷化镓(GaAs)在某些波长范围内具有独特优势。本文探讨新型砷化镓基光电子集成芯片平台，该平台实现了环形谐振腔耦合激光器的单片集成，标志着砷化镓光子技术取得了重大进展[1]。

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砷化镓的优势
0 Y- k+ D$ \) t! U7 c& K砷化镓基二极管激光器可以在630 nm到1180 nm的波长范围内直接发光。这个光谱区域对多种应用具有重要意义，包括光谱学、光量子技术和生物传感/生物成像。然而，许多应用需要比标准法布里-珀罗激光器更复杂的光源，这就需要集成额外的波导元件，如波长选择元件、紧凑型弯曲、耦合器和相移器。

. E& t$ K# U* r% H. ?* ^" f平台设计
) n" w1 [( X9 B" y* \本文介绍的砷化镓光电子集成芯片平台采用了两步外延生长工艺，并进行空间选择性量子阱移除。这种方法使得有源（增益）部分和无源波导能够集成在同一芯片上。该平台支持四种类型的波导：

浅刻蚀有源波导

浅刻蚀无源波导

深刻蚀有源波导

深刻蚀无源波导
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图1：所介绍的砷化镓光电子集成芯片平台的不同波导横截面示意图，展示了每种波导类型的可能用途。

浅刻蚀波导设计为仅支持基本模式，而深刻蚀波导提供高平面光学限制，这对于紧凑型弯曲结构是必要的。垂直结构经过精心设计，以最小化损耗，提供强光学限制，并减少有源/无源界面处的寄生反射。

环形谐振腔设计
为了展示该平台的能力，研究人员设计和制造了跑道型环形谐振腔。这些谐振腔结合了紧凑的深刻蚀U形弯曲和直的低损耗浅刻蚀波导，通过模式尺寸转换器连接。
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图2：(a) 环形谐振腔设计的示意图，包括欧拉U形弯曲、尺寸转换器和定向耦合器。(b-d) 各种波导元件的仿真结果。
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U形弯曲采用欧拉曲线以最小化模式耦合和损耗。尺寸转换器有效地实现了深刻蚀和浅刻蚀波导之间的过渡。由浅刻蚀波导形成的定向耦合器控制光在谐振腔内外的耦合。
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制造工艺
. z7 \9 F; F' c; h4 Z, I0 d; K* K9 `制造工艺包括几个关键步骤：

两步金属有机气相外延(MOVPE)生长

在无源区域选择性移除量子阱

使用i-line光刻和干法刻蚀定义波导

沉积氮化硅绝缘层

形成接触和晶圆减薄

解理端面和可选涂层
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+ v0 x; A' r; x5 t图3：各种波导横截面和元件的扫描电子显微镜图像，包括(a)深刻蚀欧拉U形弯曲，(b)深刻蚀无源波导横截面，(c)有源-无源界面，和(d)尺寸转换器。
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波导表征
' T9 P9 H" A% T$ x" a2 r2 X研究人员使用激光二极管的长度相关测量来表征波导损耗。结果显示损耗非常低：
* Q/ d" O. N  r# q' t+ }, Y% H

浅刻蚀无源波导：1.8 dB/cm

深刻蚀无源波导：2.2 dB/cm

这些数值与商用磷化铟光电子集成芯片平台相当，突显了该砷化镓平台的质量。
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环形谐振腔性能
7 O1 O4 K8 a- n0 h3 S3 w制造的环形谐振腔展示了出色的性能：

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; c; O9 T5 w9 H1 _图4：环形谐振腔表征结果，包括(a)器件示意图，(b)透射光谱，(c)DFB探测激光器发射光谱，和(d)TE和TM分辨的谐振。

主要发现包括：
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本征品质因数：2.6 × 10^5 (TE模式) 和 3.2 × 10^5 (TM模式)

自由光谱范围：95.6 pm (TE) 和 92.0 pm (TM)

群折射率：3.86 (TE) 和 4.01 (TM)

& j; c  ^+ V* b1 E) P  [6 t这些结果超过了许多基于磷化铟的微环谐振腔达到的品质因数，展示了砷化镓平台的潜力。
; P0 a  L. y  m* ~" G
# L; i2 b4 o% W) P+ G: U环形谐振腔耦合激光器
- c2 t( h, z9 ?为了展示该平台的能力，研究人员制造并表征了环形谐振腔耦合激光器。这些器件使用环形谐振腔作为波长选择元件提供反馈。
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图5：环形谐振腔耦合激光器表征，显示(a)器件示意图，(b)功率-电流特性，(c)光学光谱，(d)计算的功率反射率和啁啾减小因子，(e)阈值以下的高分辨率光谱，和(f)基于傅里叶变换的腔内反射图。
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关键性能指标包括：

输出功率：在150 mA注入电流下达到14 mW

单模操作，边模抑制比高达40 dB

发射波长由光学维尼尔效应定义
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0 J1 C3 @1 B6 B- B0 ?高质量环形谐振腔与有源增益部分的集成为在砷化镓平台上实现窄线宽和宽可调谐激光器创造了可能。
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挑战和未来方向
所介绍的砷化镓光电子集成芯片平台展示了令人印象深刻的能力，但仍有改进的空间：

减少环形谐振腔内波导元件的插入损耗

优化工艺技术，消除锥形尖端处的不连续性

实现额外的波长选择元件以防止模式跳变

探索具有多个略微失谐的耦合环形谐振腔的设计，以增强可调谐性和获得更窄的线宽
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结论
本文介绍的砷化镓基光电子集成芯片平台代表了在1064 nm波长附近有源和无源元件单片集成方面的重大进展。通过实现高质量环形谐振腔及其与激光源的耦合，这项技术为新一代紧凑、可调谐和窄线宽激光器在光谱学、光量子技术和传感应用中的发展奠定了基础。

3 M' Q9 T3 t* C2 _! t( _在单个砷化镓芯片上展示低损耗波导、高Q值环形谐振腔和集成激光器，显示了该平台在特定波长范围内与成熟的磷化铟和绝缘体上硅技术竞争的潜力。随着平台的成熟和克服当前挑战，砷化镓基光电子集成芯片有望在集成光子技术中实现新的突破，弥合传统半导体激光器和先进光子线路之间的差距。

: Y3 w" s; m% P- P4 V! c参考文献
: z/ r, Q6 y/ R9 S[1] J.-P. Koester et al., "GaAs-based photonic integrated circuit platform enabling monolithic ring-resonator-coupled lasers," APL Photon., vol. 9, no. 10, p. 106102, Oct. 2024, doi: 10.1063/5.0223134.
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