欧洲团队将GaSb激光器集成到PIC芯片中

方法依赖于Si-PIC设计和制造、III-V族材料沉积、激光器制造

研究团队由蒙彼利埃大学（法国）的Eric Tournié领导，包含法国、意大利、爱尔兰的科学家，该团队在《Light Science & Applications》期刊上发表了一篇新论文，表示已成功将半导体激光器有效集成到硅光子芯片上，且已成功将光耦合集成到无源光子器件中。

研究人员的方法依赖于Si-PIC设计和制造、III-V族材料沉积、激光器制造。为进行概念验证，PIC由嵌入SiO2基质的透明S形SiN波导制成。蚀刻掉凹嵌区域的SiO2/SiN/SiO2堆叠，从而开启硅窗口，用于沉积III-V族材料。

GaSb用作III-V族材料，因为在整个中红外波长范围内，GaSb都可进行发射，而许多气体在该范围内都有指纹吸收线。分子束外延用于生长半导体层堆叠。科学家们之前就已表明，这项技术可消除特殊缺陷，这一特殊缺陷通常出现在Si/III-V族的界面上，并导致器件失效。此外，MBE可精确对准发射光的激光部分和SiN波导。

最后，采用微电子工艺从外延层堆叠中制造二极管激光器。在这个阶段，必须通过等离子蚀刻制造高质量反射镜，实现激光发射。尽管工艺复杂，但与原生GaSb衬底上生长的二极管激光器相比，集成二极管激光器的性能基本不变。此外，激光与波导耦合，其中的耦合效率符合理论计算。

科学家们将这项研究总结如下：

“由于最终器件具有特殊架构，因此产生了不同挑战，如PIC制造和图案形成、图案PIC上的再生长、凹嵌区域的蚀刻端面激光加工等，这些挑战都已克服，证实了激光发射和光可以与无源波导耦合，其中的耦合效率符合理论计算”。

“虽然中红外二极管激光器可应用于气体传感已经证实，但这种方法也可应用于任何半导体材料系统。此外，还可扩展到任意硅晶圆尺寸（最小直径为300 mm），且带有外延反应器。”

“所用方法和技术将为未来的硅光子集成电路开辟新的途径。这些方法和技术解决了一个长期存在的问题，为未来低成本、大规模、全集成的光子芯片奠定了基础。”

参考文献

'Unlocking the monolithic integration scenario: optical coupling between GaSb diode lasers epitaxially grown on patterned Si substrates and passive SiN waveguides' by Andres Remis et al; Light: Science & Applications volume 12, Article number: 150 (2023)

 

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