主要gydF4y2Ba

集成光子学在过去的二十年中取得了迅速的进展，其发展中最关键的步骤是出现了新的集成平台(图2)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．最早的光子集成完全基于原生基材上的III-V材料gydF4y2Ba9gydF4y2Ba该技术将有源和无源光子元件组合在一块芯片上，形成光学系统。这种方法导致了第一代具有商业可行性的光子技术。从那时起，集成光子学受益于电子工业的扩张，导致硅光子学(SiPh)的大量采用。尽管III-V的制造并没有随着硅的发展而迅速发展，但通过各种不同的方式异质结合III-V外延，在大规模的绝缘体上硅(SOI)晶圆上制造光子集成电路(PICs)是可能的gydF4y2Ba10gydF4y2Ba．利用成熟的互补金属氧化物半导体代工基础设施，SOI集成光子学平台显著降低了大规模光子芯片的成本。gydF4y2Ba

图1:全集成光子平台。gydF4y2Ba
图1gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba全集成光子平台的发展:纯III-V平台依赖于多个外延再生来结合有源和无源结构;SOI上的异质III-V需要两个键合程序，“智能切割”方法产生集成Si薄膜，III-V键合将III-V外延层从原生衬底转移到SOI上;在SiN平台上的异构III-V只需要直接沉积SiN来集成SiN膜，只需要一次晶圆键合工艺就可以添加III-V层。gydF4y2BabgydF4y2Ba，全集成PICs的光谱覆盖范围:盒子表示基于不同材料的无源平台的透明窗口(InPgydF4y2Ba52gydF4y2Ba,砷化镓gydF4y2Ba53gydF4y2Ba,如果gydF4y2Ba54gydF4y2Ba，gydF4y2Ba55gydF4y2Ba,罪gydF4y2Ba22gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba56gydF4y2Ba)，可以用于完全集成的pic，点代表当前最先进的无源波导损耗，晶圆标记尺寸代表当前代工厂的最大晶圆规模。上方的图标表示全集成pic在频谱图上的应用。紫色图标表示应用程序既可以访问现有的完全集成的pic，也可以访问本文的III-V /SiN平台;蓝色图标对应异构III-V /SiN平台实现的应用程序。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

推动集成光子学发展的另一个关键因素是低传播损耗。由于SOI波导的传播损耗比III-V波导低一个数量级gydF4y2Ba6gydF4y2Ba例如，SiPh pic可以容纳更多的独立组件，从而支持更复杂的光子系统。此外，较低的损耗提高了被动结构和相干光源的性能。这些优势推动了SiPh的爆炸式增长，从数据中心打开了大量的新应用程序gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，到神经网络gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，到激光雷达gydF4y2Ba12gydF4y2Ba还有量子光子学gydF4y2Ba13gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

然而，随着应用范围的扩大，SOI平台的局限性开始浮出水面。一种来自硅的带隙波长，约为1.1 μm。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba)．在这个波长以下，SOI波导的吸收能力很强。因此，紫外线(UV)、可见光和相当一部分近红外(near-IR)目前是最先进的集成光子学所无法达到的。这一限制禁止了重要领域的片上解决方案，如原子物理、增强现实/虚拟现实、生物传感和量子通信gydF4y2Ba14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba，如图所示。gydF4y2Ba1 bgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

解决这一问题的一个有希望的途径是使用氮化硅(SiN)实现被动式结构。gydF4y2Ba21gydF4y2Ba，其波导损耗极低，小于0.1 dB mgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba在电信波长gydF4y2Ba22gydF4y2Ba，gydF4y2Ba23gydF4y2Ba并保持散射-限制在460 nm以下(参考。gydF4y2Ba24gydF4y2Ba)，使它们对超高q微腔、窄线宽激光器和非线性器件(如微梳状光源和片上变频器)具有吸引力。此外，由于SiN晶圆是通过直接沉积在Si衬底上生产的，因此不需要任何昂贵的智能切割工艺，这意味着有机会进一步降低代工厂制造的pic的成本。gydF4y2Ba

然而，直到最近，活性组分集成到SiN PICs上一直受到SiN(约2)和III-V材料(>3)之间巨大指数不匹配的阻碍。SiN和III-V结构已经集成在同一衬底上，形成了高度相干的激光器和通信波长的微梳，但只有一个中间Si层用于被动-主动跃迁，这仍然禁止短波操作gydF4y2Ba25gydF4y2Ba，gydF4y2Ba26gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

这项工作提出了新一代集成光子学，将有源和无源元素统一在异质集成III-V /SiN平台上。该集成方案提供了一个完全集成的亚微米光子学平台，具有多种构建模块，包括激光器、半导体光学放大器(soa)、调制器、光电探测器和各种无源元件。III-V增益段与SiN外腔的组合产生了非均匀集成、窄线宽、可广泛调谐的激光器，工作在Si的带隙能量之外，该装置对原子物理、传感和精确计量具有巨大意义。此外，短波长平台在相干光源中表现出优异的高温性能，可用于提高数据中心和其他热环境中的电源效率。这些结果预示着pic的大规模生产将覆盖更广泛的光谱，并为许多新的应用打开大门。gydF4y2Ba

基于SiN光子学平台的异构集成III-VgydF4y2Ba

异构III-V /SiN光子器件由基于III-V的外延层结构组成，连接在SiN波导的顶部。III-V /SiN异构光子器件的简化制造工艺流程如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，详情载于gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba．数字gydF4y2Ba2 bgydF4y2Ba这是一张在一块4英寸的硅衬底上组装了数百个激光器的完整晶圆的照片。扫描电子显微镜图像(图;gydF4y2Ba2摄氏度gydF4y2Ba(I-IV))分别显示了一个单SiN波导、一个耦合器、一个一侧带有III-V /SiN耦合器的III-V波导和一组通过SiN波导与一组光电二极管连接的激光器。gydF4y2Ba

图2:支持亚微米波长的全系列无源和有源构件的氮化硅异构光子学平台。gydF4y2Ba
图2gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，简化晶圆级工艺流程。步骤如下:(1)在热氧化Si衬底上沉积SiN;(2)正弦波导图案化;(3)多个III-V型外延结构的粘接;(4)衬底去除III-V外延;(5) III-V工艺，包括多次干/湿蚀刻，形成有源器件的p-n结;(6)介质包层沉积，通过蚀刻和金属化完成设备制造。gydF4y2BabgydF4y2Ba，一张包含数千个器件的完整处理的4英寸晶圆的照片。gydF4y2BacgydF4y2Ba，扫描电子显微镜图像(I) SiN波导，(II)波导耦合器，(III) III - v波导和有源组件的电触点，以及(IV)由SiN波导连接的激光器和光电二极管阵列。gydF4y2BadgydF4y2Ba，在单个芯片上制作的完全集成原子钟系统的设想示意图。gydF4y2BaegydF4y2Ba平台支持主动和被动功能，性能具有特色。从左至右:FP激光器，一种带有集成宽带反射镜的法布里-珀罗激光器，电流阈值小于12 mA, SiN波导输出功率超过25 mW;SOA，一种半导体光放大器，在980 nm和100 mA偏置电流下最大增益22 dB (100 mA增益的3db带宽跨越20 nm);无源波导，亚db厘米的SiN波导gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba900-980 nm波长范围内的传输损耗(绿色阴影表示在单个晶圆相同测试结构上平均器件损耗后，切割损耗线性拟合的标准误差);调制器，马赫-曾德干涉仪与相位调制器显示gydF4y2BaVgydF4y2BaπgydF4y2Ba= 2.4 V，消光比(ER)大于20 dB;PD，大于0.6 a W的光电二极管gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba在980 nm和na级暗电流响应。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

该平台的一个基本特征是III-V波导和SiN波导之间的高效光耦合。III-V材料相对于SiN的大折射率导致了III-V层中高度局域化的光模式。这是与典型的III-V /Si异质波导的根本区别，在典型的III-V异质波导中，Si和III-V的折射率相似，这使得光学模式在两种材料中杂交成为可能gydF4y2Ba27gydF4y2Ba．因此，通常基于倏逝场的绝热耦合方案虽然很适合III-V /Si光子学，但不适用于III-V /SiN。对接耦合是传统光学中广泛使用的一种非绝热耦合方法，在这种情况下具有优势。然而，有效的对接耦合需要耦合波导之间最大的空间重叠，这在晶圆级异构集成平台中是无法实现的，因为键合层不能垂直对齐。下面的III-V /SiN耦合器结构通过结合上述两种耦合方案解决了这一挑战:在III-V和SiN波导之间的介电包层中设计了一个中间波导;在III-V端，对中间波导的几何结构进行了对接耦合优化;在SiN端，优化了与SiN波导的绝热倏逝耦合。第一代的耦合效率高达70%，通过优化设计可实现90%的效率gydF4y2Ba28gydF4y2Ba．详细信息请参见gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba二维gydF4y2Ba，展示了一种用于集成原子钟系统的集成PIC，说明了具有直接III-V /SiN耦合的完全集成的短波长PIC生态系统的潜力。基本组分在980 nm左右实现并进行了表征，如图所示。gydF4y2Ba2 egydF4y2Ba．法布里-珀罗(FP)激光器提供光源，其背面有近100%的环形反射镜，正面有10%的反射镜。800 μm长的FP激光器具有12 mA的低阈值电流，而输出功率和斜率效率分别超过25 mW和0.38 W agydF4y2Ba−1gydF4y2Ba,分别。集成soa的光学增益超过22 dB，带宽为20 nm 3 dB。用于检测，III-V型光电二极管(pd)表现出na级暗电流和大于0.6 A WgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba响应性和80%的量子效率在980 nm。我们还演示了一个2毫米长的移相器，使用相同的GaAs外延材料gydF4y2BaVgydF4y2BaπgydF4y2Ba仅2.4 V和Mach-Zehnder调制器，消光比超过22 dB，测量波长为1060 nm。与III-V有源元件互补的是SiN无源波导，损耗低于0.5 dB cmgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba在980 nm附近测量，对应的质量因子(Q)大于1.5 × 10gydF4y2Ba6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

另外值得注意的是，最近开发的超低损耗SiN波导gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba可进一步降低波导损耗两个数量级。这种薄SiN平台在无源波导和有源波导之间具有更大的有效索引不匹配，但仍然可以通过相同的耦合策略实现高效耦合。gydF4y2Ba

硅带隙外集成相干激光器gydF4y2Ba

异构光子学的一个关键应用是相干激光。例如，在电信频段，低损耗硅波导已经与基于inp的光学增益材料配对，以产生集成窄线宽激光器gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba．通过将高质量的SiN无源与短波长的III-V增益相结合，我们的平台提供了超越硅带隙限制的类似能力。gydF4y2Ba

一个集成激光器工作在980 nm，其中包括一个GaAs增益区域和一个SiN外腔，提出了一个概念证明。数字gydF4y2Ba3 a, bgydF4y2Ba显示了游标环的原理和激光器的原理图设计，其详细信息载于gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba．激光器在增益峰值附近输出功率大于10mw，如图中的LI (light current)曲线所示。gydF4y2Ba3 cgydF4y2Ba，在波长保持在976.5 nm左右时，测量功率。对于75 mA的固定增益电流，在整个波长范围内，测量到输出功率高于6 mW。gydF4y2Ba

图3:氮化硅上的集成相干、广泛可调激光器。gydF4y2Ba
图3gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，单个环形谐振器的波长响应和由此测量的不同自由光谱范围的两个环形游标光谱。gydF4y2BabgydF4y2Ba，双环可调谐激光器的原理图，其后镜由两个环形谐振腔组成，其中两个环形谐振腔位于100%环镜中，前环镜的反射率为50%，中间是基于gaas的SOA部分。在环形和部分激光腔上制作了热微加热器，用于对准环形、选择波长和调节往返相位累积。这张照片显示的是一个形状因子小于3 × 0.3毫米的可调谐激光芯片gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2BacgydF4y2Ba， LI特性的激光器在固定波长下，表现出30.3 mA的阈值电流和大于10 mW的输出功率。插图:单模激光光谱。gydF4y2BadgydF4y2Ba，低损耗SiN外腔提高线宽。gydF4y2BaegydF4y2Ba，频率噪声谱，模拟热分数噪声和450hz的白噪声底gydF4y2Ba2gydF4y2Ba/Hz，对应于2.8 kHz洛伦兹线宽(2π倍白噪声底)。插图:洛伦兹线宽在25°C横跨激光调谐范围。gydF4y2BafgydF4y2Ba， RIN (Relative intensity noise)，小于−155 dB HzgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba外弛豫振荡共振。gydF4y2BaggydF4y2Ba宽调谐范围，可获得许多原子共振。gydF4y2BahgydF4y2Ba游标波长调谐超过20 nm波长，在整个范围内具有高smsr。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba，一个“UCSB”标志，由激光波长随时间推移而产生。每个点的颜色表示在该时间步测得的SMSR。gydF4y2BajgydF4y2Ba，用单个连续调谐参数锁定共振的机制，对于锁定原子跃迁至关重要。gydF4y2BakgydF4y2Ba通过单独扫描相位调谐部分，获得超过8 GHz的III-V /SiN激光频率的无模跳连续调谐。gydF4y2BalgydF4y2Ba，一个“Nexus”标志，通过调整激光频率而没有模式跳跃，显示出巨大的稳定性和精确的控制时间。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

一种小型激光器，占地面积小于1毫米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，如图所示。gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba，在短波长的广泛应用中是有价值的gydF4y2Ba31gydF4y2Ba．一个重要的例子是原子物理学。这里描述的III-V /SiN异质激光器提供了与体积庞大的外腔二极管激光器相当的性能gydF4y2Ba32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba，但具有完全集成设备的外形因素。数字gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba显示用延迟自外差装置和互相关技术测量的980 nm波长激光噪声的双面功率谱密度(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．光谱以1/为主gydF4y2BafgydF4y2Ba低偏频噪音(gydF4y2BafgydF4y2Ba)范围，通常在半导体激光器中观察到。在100千赫至30兆赫之间，激光噪声主要由热分数噪声(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．在30 MHz左右的偏置频率下，白噪声底面为450 HzgydF4y2Ba2gydF4y2Ba达到/Hz，对应于2.8 kHz的洛伦兹线宽，在整个调谐范围内线宽为10 kHz(图2)。gydF4y2Ba3 egydF4y2Ba)．不像以前的集成纯III-V激光器，其基本线宽(通常高于100 kHz(参考。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)比许多原子过渡线更宽gydF4y2Ba34gydF4y2Ba，gydF4y2Ba35gydF4y2Ba，这里介绍的III-V /SiN异质激光器从其低损耗SiN环形谐振器的反射镜中获得了显著的降噪，打开了那些窄线原子跃迁的通道。III-V /SiN非均匀激光也表现出良好的振幅噪声性能，相对强度噪声低于−155 dB HzgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(测量工具的噪声底)在2 GHz偏置频率附近的弛豫振荡共振之外，如图所示。gydF4y2Ba3 fgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

游标激光设计的另一个关键特点是其广泛的可调性。只有狭窄的调谐能力，产生特定的波长(例如，针对原子跃迁)需要严格的制造公差。使用放置在环形谐振器顶部的微加热器，人们可以利用热光效应来调整每个环形梳，将游标位置移动到所需的波长。这种简单的游标梳原理提供了一种获得片上可重构光学滤光片的机制，这是广泛可调谐激光器的关键。数字gydF4y2Ba3 hgydF4y2Ba显示了在25°C下以1 nm为增量粗略步进波长测量的激光光谱。调谐范围约为20纳米(相当于大约6太赫兹)，主要受到980个量子阱的增益带宽的限制。如图所示，在整个调谐范围内，激光侧模抑制比(SMSR)大于35 dB，当激光波长位于增益峰值附近时接近50 dB。如图所示，激光器的波长可以在很宽的范围内重复步进，而不牺牲SMSR。gydF4y2Ba3我gydF4y2Ba，其中gydF4y2BaygydF4y2Ba轴表示激光波长随时间的变化，圆点颜色表示激光模式的SMSR。gydF4y2Ba

除了宽调谐外，当将激光锁定到高q腔或原子跃迁时，经常需要在更小的范围内进行连续的微调。如图所示。gydF4y2Ba3 kgydF4y2Ba，通过简单地扫描相位调谐器，我们的激光器支持8 GHz的无模跳调谐范围。请注意，通过同时调谐环和相位部分，可以实现更大的无模跳调谐范围gydF4y2Ba36gydF4y2Ba．如图所示。gydF4y2Ba3 lgydF4y2Ba，频率也可以重复和精确控制在几GHz以上。gydF4y2Ba

短波长pic的高温优势gydF4y2Ba

集成光子学面临的主要挑战是对主动冷却的要求。由于二极管激光器的性能在高温下会下降，因此有必要对pic进行冷却以保持性能。激光器的热退化是由于载流子费米分布在温度升高时的扩宽导致增益降低gydF4y2Ba37gydF4y2Ba以及通过各种机制损失辐射载流子，特别是在异质势垒上的载流子泄漏gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，俄歇重组gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba还有间质带吸收gydF4y2Ba40gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba(无花果。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，所有这些都随温度呈指数增长。在这三种载波损耗机制中，俄歇重组和间价带重组均随材料带隙呈指数下降gydF4y2Ba38gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba．因此，波长较短的激光本质上对这些非辐射损失过程更有弹性。此外，生长在GaAs衬底上的材料系统用于近红外到可见光波长激光器，其导带偏置比波长较长的InP系统更大，因此在高温下具有更高的量子阱势垒和更好的载流子约束gydF4y2Ba38gydF4y2Ba．综上所述，上述效应使短波GaAs平台具有优异的高温性能(图2)。gydF4y2Ba4 bgydF4y2Ba)，只使用被动冷却系统，可大大减低电力消耗。gydF4y2Ba

图4:极高温，全集成激光器。gydF4y2Ba
图4gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba，激光的简化能带图和主要载流子重组和泄漏过程的图解，包括(I)辐射重组，(II)俄歇重组，(III)间价带吸收和(IV)异质势垒上的载流子泄漏。gydF4y2BabgydF4y2Ba本文研究了全集成长波长激光器和短波长激光器载流子复合过程的温度依赖性。非辐射复合随温度呈指数增长，但在短波GaAs平台中，由于能带隙和量子阱深度的增加，这种效应会降低。允许工作温度用固体棒的长度表示，如果设备的自由运行温度超出工作温度范围，则需要进行冷却过程。gydF4y2BacgydF4y2Ba在25°C ~ 185°C范围内，SiN非均相FP激光器的LI特性。gydF4y2BadgydF4y2Ba，激光阈值电流随温度的变化，由LI曲线提取。特征温度gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba= 148 K在20°C - 90°C;gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba在90°C到150°C的范围内= 110 K，这是商业非均匀集成激光器中报道的最高激光温度gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba= 61 K以上150°C。插图:特征温度，gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba在不同腔长FP激光器的前两个范围(20°C - 90°C和90°C - 150°C)。gydF4y2BaegydF4y2Ba， FP激光波长随温度变化，线性增益红移为0.33 nm KgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba．gydF4y2BafgydF4y2Ba，选择温度下的FP激光光谱。gydF4y2BaggydF4y2Ba选择高温下测量的单模可调谐激光器的频率噪声谱，即使在145℃下也显示出小于10 kHz的洛伦兹线宽。插图:基本线宽随温度从35°C到145°C。gydF4y2Ba

全尺寸图像gydF4y2Ba

为了研究热性能，我们的异构III-V /SiN FP激光器在25°C到185°C的阶段温度下通过LI测量进行了表征，如图所示。gydF4y2Ba4摄氏度gydF4y2Ba．连续波激光达到了185°C，这是迄今为止在硅芯片上集成的所有激光器中最高的工作温度，显著高于之前的记录(150°C)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．具有特征的指数模型很好地描述了高达90°C的阈值电流gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba148k(图;gydF4y2Ba4 dgydF4y2Ba)，其热性能与天然衬底上二极管激光器的最佳性能相当gydF4y2Ba42gydF4y2Ba．此外，光谱测量表明激光波长窗口红移速率为0.33 nm KgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，在185℃下最大激光波长为1044.5 nm，比室温下红50 nm以上，如图所示。gydF4y2Ba4 e, fgydF4y2Ba．gydF4y2Ba

除了简单的激光，III-V /SiN异构平台还展示了在高温下集成的窄线宽激光器，显示出巨大的应用前景，包括数据中心的相干通信、遥感或恶劣环境下的计量。基于环形谐振器的可调谐激光器(类似于前一节中的激光器)的特征。相位噪声测量在35°C至145°C的温度下进行(gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba)．测得的最佳总体基本线宽低于7 kHz，在145℃时测得的线宽低于10 kHz。只观察到极小的线宽退化(图。gydF4y2Ba4 egydF4y2Ba)．请注意，在同一衬底上集成III-V和SiN可以确保增益和外部腔之间在宽温度范围内的鲁棒耦合，而其他线宽窄化方法，如芯片对芯片对接耦合的混合集成gydF4y2Ba23gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，由于不同元件之间的热膨胀不匹配，面临位置错位的挑战。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

利用本工作中展示的集成策略，硅光子学的波长范围可以通过gaas基材料(GaP, InGaP, AlGaAs)扩展到绿色波长，通过加入gan基材料扩展到蓝色，紫色和UV范围。最近在蓝色和紫色波长上的超低损耗SiN波导gydF4y2Ba24gydF4y2Ba，它将有可能在整个可见波长范围内生产可伸缩的pic。通过使用高q SiN腔，完全集成的非线性系统也可以在该平台上实现，如微梳gydF4y2Ba44gydF4y2Ba，gydF4y2Ba45gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba，受激布里渊激光器gydF4y2Ba47gydF4y2Ba和强变频系统gydF4y2Ba48gydF4y2Ba．相同的集成策略适用于不同厚度的SiN波导，包括用于超高q的薄SiN (<100 nm)或用于在异常色散区产生微梳的厚SiN (>700 nm)。其他材料，如LiNbOgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba此外，还可以间歇性地使用AlN、SiC、AlGaAs和硫系玻璃作为无源波导的介质，进一步丰富了集成光电子的工具箱，并将pic的光谱扩展到目前pic不支持的更长的波长(>10 μm)。gydF4y2Ba

短波长的pic有可能改写光子学应用的版图。在原子物理学中，短波长的pic将支持片上原子钟和捕获离子量子比特的量子计算gydF4y2Ba14gydF4y2Ba．通过一个跨越从可见到电信的巨大波长范围的平台，相干链路可以设计为支持时频计量的跨八度自参考系统gydF4y2Ba49gydF4y2Ba量子通信中的可见-电信纠缠gydF4y2Ba50gydF4y2Ba．在消费市场，提高高温性能将放宽光子器件的冷却要求，为数据中心和光子计算提供节能解决方案。通过将可见光范围内的高相干光源与低损耗光学相位阵列相结合gydF4y2Ba51gydF4y2BaIII-V /SiN异构光子学平台可以潜在地从增强现实/虚拟现实设备中移除笨重的透镜成像系统，使其更轻，更节能。gydF4y2Ba

最后，由于该平台的制造与生产异构III-V /Si光子学的现有光子晶圆厂兼容，我们预计该技术将很快被用于大规模大批量生产。由于SiN-on-insulator的材料成本低于SOI，这一发展将使III-V /SiN在经济上优于现在普遍存在的III-V /Si，降低整个行业的成本，真正彻底改变集成光子学。gydF4y2Ba

方法gydF4y2Ba

设备制造gydF4y2Ba

硅衬底被热氧化形成合适的SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba波导包层基层。接下来，用低压化学气相沉积法沉积了350 nm厚的SiN薄膜，然后用光刻步进系统对其进行图案化和干蚀刻，形成无源波导结构。在优化的分子键合过程中，III-V外延直接键合到氮化晶片上。由于III-V没有事先进行模压，因此不需要精确的对齐来实现键合，从而实现晶圆规模的大批量生产，这是异构集成相对于其他集成策略(如芯片对芯片封装或转移打印)的一个关键优势。在本工作中，III-V外延是基于InGaAs/GaAsP量子阱的GaAs/ algaas层状结构。虽然之前已经将具有量子点的GaAs/AlGaAs材料非均匀地集成到SOI波导上gydF4y2Ba57gydF4y2Ba， GaAs/AlGaAs量子阱首次异质集成在这里。详细的层结构可以在gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba．为了提高GaAs/AlGaAs与SiN之间的结合强度，我们沉积了7 nm的AlgydF4y2Ba2gydF4y2BaOgydF4y2Ba3.gydF4y2Ba层在外延表面作为粘合前的粘合层。此外，为了解决GaAs和Si之间热膨胀系数差异较大的问题，采用低温(150℃)和较长时间(长达12 h)进行键后退火以提高键合强度。然后通过机械抛光和选择性湿蚀刻去除III-V基板，然后继续III-V工艺以形成活性成分。在SiN波导和III-V波导以及金属部分之间的绝缘体上沉积了一层毯状电介质以形成顶部包层。最后，打开通孔，并沉积金属垫以形成与设备的电接触。制造过程的更详细的描述可以在gydF4y2Ba补充信息gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

可调谐激光器设计gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba3 bgydF4y2Ba展示了激光器的原理图设计，其后镜由两个环形谐振器组成，它们级联在一个环路内，采用加-降配置。每个环形谐振器在波长域中形成一个梳状结构，相邻的梳状结构线被一个自由光谱范围隔开。如图所示。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba，通过选择环的半径，使两个梳的自由光谱范围略有不同，双环反射反射光谱，这是这两个梳的产物，是一个游标梳，只有一个主梳线，在这两个单独的梳线对齐。除了游标可调谐环形镜外，该激光器还具有相位调谐元件和片上监视器光电二极管。gydF4y2Ba

噪声特性gydF4y2Ba

延迟自外差相位噪声测量是在Mach-Zehnder干涉仪的对臂上使用1 km延迟线和Brimrose声光调制器(TEM-110-10-55-980-2FP)进行的。两个输出信号被发送到Newport低噪声光接收机(型号1801)，并用Tektronix 5系列混合信号示波器进行记录，用于参考文献中的相互关联分析。gydF4y2Ba58gydF4y2Ba．在测量过程中，所有激光输入和测量阶段的热电冷却器(见下图)均由Lightwave ILX LDX-3620B超低噪声电池电流源控制。gydF4y2Ba

热分数噪声模拟gydF4y2Ba

在此，我们根据涨落-耗散定理推导了集成激光谐振腔的热分数噪声gydF4y2Ba59gydF4y2Ba并模拟了图中双环可调谐激光器的热分馏噪声。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba用COMSOL多物理场有限元法求解。对于谐振腔内的单一光模，通过求解亥姆霍兹方程，得到光谐振角频率gydF4y2BaωgydF4y2Ba选择gydF4y2Ba可以表示为gydF4y2Ba

$ ${\ω}_ {{\ rm {o}} {rm \ p {}} {\ rm {t}}} ^ {2} = {c} ^{2} \压裂{\ int {| {\ rm{\微分算符}}\ * {\ bf{\文本{E}}} |} ^ {2} {{rm \ d {}}} ^ {3} {\ bf{\文本{r}}}} {\ int {n} _ {0} ^ {2} {| {\ bf{\文本{E}}} |} ^ {2} {{rm \ d {}}} ^ {3} {\ bf{\文本{r}}}} $ $gydF4y2Ba
(1）gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaEgydF4y2Ba是模态电场，gydF4y2BargydF4y2Ba是空间坐标向量，gydF4y2BacgydF4y2Ba真空是光速吗gydF4y2BangydF4y2Ba0gydF4y2Ba是材料的折射率。gydF4y2Ba

在热位移下，折射率变化∆gydF4y2BangydF4y2Ba可表示为∆gydF4y2BangydF4y2Ba=gydF4y2BangydF4y2Ba0gydF4y2BaβgydF4y2BangydF4y2BaδgydF4y2BaTgydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaβgydF4y2BangydF4y2Ba是热光系数。谐振频移，δgydF4y2BaωgydF4y2Ba选择gydF4y2Ba，可解为gydF4y2Ba

δ{$ $ \ \ω}_ {{\ rm {o}} {rm \ p {}} {\ rm {t}}} = \ int \压裂{1}{N} {N} _{0} ^{2}{\β}_ {N}{\ω}_ {{\ rm {o}} {rm \ p {}} {\ rm {t}}} {| {\ bf{\文本{E}}} |} ^{2} \δt {{rm \ d {}}} ^ {3} {\ bf{\文本{r}}}, $ $gydF4y2Ba
（2）gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaNgydF4y2Ba是光模式强度的归一化，gydF4y2BaNgydF4y2Ba=∫gydF4y2BangydF4y2Ba0gydF4y2BangydF4y2BaggydF4y2Ba|gydF4y2BaEgydF4y2Ba|gydF4y2Ba2gydF4y2BadgydF4y2Ba3.gydF4y2BargydF4y2Ba．gydF4y2Ba

谐振腔存在于有温度的热源中gydF4y2BaTgydF4y2Ba0gydF4y2Ba而温度偏离热平衡在频域遵循热方程:gydF4y2Ba

$ $ {\ rm{我}}\ω\ρ{c} _ {{rm \ p{}}} \δT = \ kappa {{\ rm{\微分算符}}}^{2}\δT - rm{我}}{\ \ω{Q} _ {{\ rm {e}} {\ rm {x}} {\ rm {T}}} $ $gydF4y2Ba
（3）gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaρgydF4y2Ba是物质密度，gydF4y2BacgydF4y2BapgydF4y2Ba是热容，gydF4y2BaκgydF4y2Ba导热系数和gydF4y2Ba问gydF4y2BaextgydF4y2Ba虚拟的外部热源是由gydF4y2Ba

$ $ {Q} _ {{\ rm {e}} {\ rm {x}} {\ rm {t}}} = \压裂{{f} _ {0}} {N} {N} _{0} ^{2}{\β}_ {N}{\ω}_ {{\ rm {o}} {rm \ p {}} {\ rm {t}}} {| {\ bf{\文本{e}}} |} ^ {2} {t} _{0}。$ $gydF4y2Ba
（4）gydF4y2Ba

在这里gydF4y2BafgydF4y2Ba0gydF4y2Ba是能量的转换单位。gydF4y2Ba

由此产生的耗电量gydF4y2BaWgydF4y2Ba迪斯gydF4y2Ba可计算为:gydF4y2Ba

$ $ {W} _ {{rm \ d {}} {\ rm{我}}{\ rm{年代}}{\ rm{年代}}}= \压裂{1}{2}\ int \ kappa \压裂{{| {\ rm{\微分算符}}\δT |} ^ {2}} {{T} _ {0}} {{rm \ d {}}} ^ {3} {\ bf{\文本{r}}} $ $gydF4y2Ba
（5）gydF4y2Ba

根据涨落-耗散定理，得到谐振频率的双侧功率谱密度gydF4y2BaωgydF4y2Ba可以表示为gydF4y2Ba

$ $ {{\ rm {SD}}} _{\ \ω}= \压裂{4 {k} _ {{\ rm {B}}} T}{{\ω}^{2}}\压裂{{W} _ {{\ rm{迪斯}}}}{{{rm \ {|}} {f} _ {0} {\ rm {|}}} ^ {2}} $ $gydF4y2Ba
(6）gydF4y2Ba

用于热特性模拟的关键参数为:gydF4y2BaρgydF4y2Ba(如果gydF4y2Ba3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba4gydF4y2Ba) = 2.2 × 10gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba公斤米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba60gydF4y2Ba)，gydF4y2BaρgydF4y2Ba(SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba) = 2.2 × 10gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba公斤米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba，gydF4y2BaCgydF4y2Ba(如果gydF4y2Ba3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba4gydF4y2Ba) = 600 J kggydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba60gydF4y2Ba)，gydF4y2BaCgydF4y2Ba(SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba) = 740 J kggydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，gydF4y2BaκgydF4y2Ba(如果gydF4y2Ba3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba4gydF4y2Ba) = 2.23 W mgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba(ref。gydF4y2Ba61gydF4y2Ba)，gydF4y2BaκgydF4y2Ba(SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba) = 1.4 W mgydF4y2Ba−1gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，gydF4y2BaβgydF4y2BangydF4y2Ba(如果gydF4y2Ba3.gydF4y2BaNgydF4y2Ba4gydF4y2Ba) = 2.4 × 10gydF4y2Ba−5gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba，gydF4y2BaβgydF4y2BangydF4y2Ba(SiOgydF4y2Ba2gydF4y2Ba) = 1.0 × 10gydF4y2Ba−5gydF4y2BaKgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba环境温度293.15 K。gydF4y2Ba

高温测量gydF4y2Ba

高温测量级由加热器、扩热器、热电冷却器和测量级四个级别组成。此外，还应用了聚酰亚胺胶带来减少空气中的热流，并添加了铝罩状结构来屏蔽被测设备免受气流的影响。温度监测使用Vescent SLICE-QTC控制器和EPCOS-TDK热敏电阻(B57540G1103F005)在工作台和换热器中进行。输出功率用校准的Newport积分球(819c - uv -5.3 cal)测量。激光波长由横河光学光谱分析仪(AQ6374)测定。gydF4y2Ba