摘要—砷化铝镓（AlGaAs）及相关III-V族半导体具有优异的光电特性。它们还具备强材料非线性以及高折射率。鉴于这些特性，AlGaAs是集成光子学领域极具前景的候选材料，涵盖线性和非线性器件、无源和有源器件及相关应用。低传播损耗对集成光子学至关重要，尤其是在非线性应用中。然而，实现低损耗和高光场限制的AlGaAs光子集成电路仍是一项挑战。在此，我们通过采用异质晶圆键合方法并优化制造工艺，展示了在全刻蚀高光场限制绝缘体上铝镓砷纳米波导中有效降低表面粗糙度引起的散射损耗。我们展示了超高Q值的AlGaAs微环谐振器，实现了高达3.52×10⁶的品质因子和高达1.4×10⁴的精细度。我们还在这些谐振器中展示了超高效频率梳产生，对于自由光谱范围为1 THz和90 GHz的谐振器，分别实现了约20 µW和约120 µW的创纪录低阈值功率。我们的结果为将AlGaAs作为一种新型集成材料平台（特别是用于非线性光子学）铺平了道路，并为芯片上对效率要求苛刻的实际应用打开了新的窗口。SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675umALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺
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文章名—Ultrahigh-Q AlGaAs-on-insulator microresonators for integrated nonlinear photonics作者名：WEIQIANG XIE,1,4,* LIN CHANG,1,4 HAOWEN SHU,1,2,4 JUSTIN C. NORMAN,3 JOND.PETERS,1 XINGJUN WANG,2 AND JOHN E. BOWERS1,3单位：1.Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA 2.State Key Laboratory of Advanced Optical Communications System and Networks, Department of Electronics, School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871, China 3.Institute for Energy Efficiency, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA 砷化铝镓（AlGaAs）具有丰富的光学和电学特性[1]，并已广泛用于光电设备中，例如在其带隙附近工作的激光二极管和光电探测器。另一方面，当用于光子能量远低于其带隙的场合时，例如在通信波段，AlGaAs由于若干优势在非线性领域中尤其受到关注。首先，AlGaAs同时具有强的二阶和三阶非线性。其次，AlGaAs具有相对较大的带隙，可通过改变合金AlxGa1-xAs中的铝含量进一步调控，这意味着可以实现从近红外到中红外的宽透明窗口。通过带隙工程，双光子吸收等非线性损耗可被显著最小化。最后，AlGaAs具有高折射率（例如，x=0.2时在1550 nm处n≈3.27），有望实现光子的强限制。尽管在过去十年中已有在原生GaAs衬底上的AlGaAs波导中实现高效非线性过程的报道，但近几年来，对绝缘体上铝镓砷平台的非线性研究获得了越来越多的关注，包括高效二次谐波产生、超连续谱产生和克尔频率梳产生。在此类平台中，用于光导引和相互作用的AlGaAs纳米波导通过晶圆键合方法集成在低折射率二氧化硅层上，从而可充分利用AlGaAs的上述优势，最终实现高限制、超高效率、紧凑型非线性光子集成电路（PIC）。在集成非线性光子学中，低传播损耗对于降低工作功率和提高非线性过程效率至关重要，例如，微谐振器中的高品质（Q）因子可大幅降低频率梳产生的功率阈值。事实上，在过去几年中，我们已经见证了通过降低各种非线性材料平台（如二氧化硅、氮化硅和铌酸锂）中的波导损耗来提高非线性效率的巨大成功。在这些非线性平台上，提高微谐振器Q因子方面取得了重大进展，从而实现了高效片上非线性应用，例如用于频率梳产生的亚毫瓦阈值和以几毫瓦功率工作的片上孤子微梳。同样，在集成非线性光子学中应用AlGaAs，关键也在于实现纳米波导中的低损耗。然而，在绝缘体上铝镓砷平台上实现低损耗光子集成电路可能更具挑战性，这主要是由于与介电材料平台相比，其具有高折射率对比度和较大的散射损耗。在提供强模式限制的同时，波导芯层（折射率ncore）与包层（折射率nclad）之间的高折射率对比度会显著增加表面粗糙度引起的散射损耗，该损耗与(ncore² - nclad²)成正比。例如，当包层为氧化物时，AlGaAs中的该值比氮化硅中高出约4.5倍。因此，传播损耗对波导表面粗糙度非常敏感，这在全刻蚀纳米波导中更为明显。因此，降低传播损耗的有效途径是降低表面粗糙度。在本工作中，我们采用异质晶圆键合技术[13]将外延生长的AlxGa1-xAs（此处x=0.2，带隙约为1.69 eV）晶体薄膜集成到硅衬底上。在我们前期工作[17]的基础上，通过系统优化制造工艺，包括刻蚀、光刻胶回流以及AlGaAs生长和键合，我们能够显著降低波导侧壁和底部/顶部表面的粗糙度。在波导制造中，我们研究了分别由金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）生长的两种外延AlGaAs材料。发现虽然两种外延方法均可制备高质量波导，但在材料质量和波导损耗方面，MBE生长的AlGaAs表现优于MOCVD生长的薄膜。利用MBE AlGaAs，我们展示了全刻蚀400 nm厚度的超高Q值AlGaAs微环，实现了高达3.52×10⁶的Q因子，对应传播损耗低至0.17 dB/cm。在这些微环中，还获得了高达1.4×10⁴的腔精细度。据作者所知，本文报道的Q因子和精细度是III-V族半导体光子集成电路中的最高值，与基于绝缘体上硅技术的硅光子集成电路的最先进水平相当。此外，作为高非线性效率能力的演示，我们在微环谐振器中展示了超高效克尔频率梳产生，对于自由光谱范围（FSR）为1 THz和90 GHz的微环，分别实现了约23 µW和约120 µW的创纪录低阈值功率。结合AlGaAs光子集成电路中的高非线性和低损耗，我们的结果为将AlGaAs作为一种新型集成材料平台（特别是用于非线性光子学）铺平了道路，并为芯片上对效率要求苛刻的实际应用打开了新的窗口。在我们的演示中，采用400纳米厚的AlGaAs薄膜进行波导制造，并对商业MOCVD和内部MBE生长的两种外延薄膜进行了研究。采用微环谐振器来提取Q因子和波导损耗，这些微环在设计上具有不同的半径和从600纳米到1000纳米不等的宽度。当宽度低于约800纳米时，波导在1550纳米附近表现出反常群速度色散，并被用于克尔频率梳产生的演示。总线波导与微环之间的耦合经过精心设计，以实现仅对基横电（TE）模式的有效耦合。波导在端面处的宽度设计为200纳米，以将每端面与典型透镜光纤的耦合损耗降低至约3–4 dB。图1(a)显示了SiO₂上宽度为700纳米的AlGaAs波导的基TE模式模拟结果，由于强光场限制，其有效模式面积（Aeff）仅为0.23 µm²。为说明此类AlGaAs波导优异的非线性特性，我们可以计算非线性波导参数γ，其定义为γ = 2πn₂/λAeff，其中n₂为非线性折射率。与其他波导系统相比，例如典型的Aeff约为1.0 µm²且n₂比AlGaAs低两个数量级的氮化硅，AlGaAs波导中的非线性系数比氮化硅波导高出400倍以上。图1. (a) SiO₂上高度×宽度为400 nm×700 nm的AlGaAs波导的基TE模式模拟。(b) 制备的AlGaAs波导在氧化物包层前的横截面SEM图像。(c) 与总线波导耦合的AlGaAs微环的SEM图像。(d) (c)中虚线框所示耦合区域的放大图。
AlGaAs波导的制造包括两个主要步骤：晶圆键合和波导图形化。晶圆键合工艺的目标是将生长在GaAs衬底上的外延AlGaAs薄膜转移到具有3 µm厚热氧化SiO₂埋氧层的硅衬底上。在我们的实验中，使用了3英寸AlGaAs外延晶圆和4英寸硅晶圆。该步骤包括AlGaAs外延晶圆与GaAs衬底的键合以及腐蚀停止层的去除，详细内容可参见我们此前的工作。需要注意的是，AlGaAs的生长表面将成为波导的底面，而AlGaAs与腐蚀停止层之间的界面将成为波导的顶面。因此，AlGaAs的生长表面质量以及腐蚀停止层的选择及其去除工艺对最终波导表面质量和损耗至关重要。在制造过程中，通过原子力显微镜（AFM）监测了两个表面的粗糙度。波导图形化涉及光刻和干法刻蚀工艺。在此我们选择了照明波长为248 nm的深紫外（DUV）光刻，它相比常用的电子束光刻更适合于高集成度和批量制造。光刻过程中的光刻胶图形以及AlGaAs的干法刻蚀对最终波导侧壁质量至关重要，其中平滑且垂直的表面对于低损耗和良好的几何形貌控制都是非常期望的。在我们的制造中，采用了厚度约为100 nm的SiO₂硬掩模进行AlGaAs刻蚀，并特别开发了硬掩模的两步刻蚀工艺。硬掩模首先在电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）中使用CHF₃/CF₄/O₂气体进行部分刻蚀，然后将晶圆在食人鱼溶液（H₂SO₄:H₂O₂=3:1，100 °C）和SC-1溶液（NH₄OH:H₂O₂:H₂O=1:1:5，80 °C）中清洗，以去除任何有机残留并避免最终波导中出现不希望的图形转移。清洗后，剩余的硬掩模采用相同的干法刻蚀工艺直接刻蚀。随后，在ICP-RIE中使用Cl₂/N₂气体对AlGaAs进行刻蚀，与我们之前的结果相比，该工艺进一步优化以获得近乎理想的矩形波导截面。图1(b)展示了制备的AlGaAs波导横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像，其中可以清晰地看到垂直的侧壁。图1(c)显示了波导耦合的AlGaAs微环，耦合区域在图1(d)中放大，表明我们的工艺具有清洁的表面和良好的图形清晰度。最后，需要提及的是，在整个制造过程中，AlGaAs波导的所有表面均通过原子层沉积涂覆了薄层（5-10 nm）Al₂O₃进行钝化，以辅助键合并可能减少表面态引起的吸收。下一步制造工艺是用约1.5 µm的氧化物包覆波导。Q因子通过测量波导耦合微环的透射光谱进行表征。来自可调谐激光器的TE偏振光通过透镜光纤耦合到总线波导中，输出由另一根透镜光纤收集。透射功率由高速光电探测器检测，光谱使用示波器记录。我们测量的光谱分辨率为0.01 pm。输入功率被衰减到足够低以抑制热效应。对于频率梳产生的测量，使用同一可调谐激光器作为泵浦，梳状光谱使用光谱分析仪记录。在本节中，我们重点关注通过制造工艺优化来降低AlGaAs波导的表面粗糙度，并展示其对AlGaAs微谐振器Q因子提升的影响。我们首先在实验中使用MOCVD外延AlGaAs，随后采用MBE生长的AlGaAs，利用优化工艺进行波导制造。最后，我们对结果进行总结和讨论。如上所述，高折射率对比度AlGaAs波导中的表面粗糙度，特别是均方根粗糙度（σ），可导致显著的散射损耗，该损耗与σ²成正比，也可通过数值方法估算。在所有波导表面中，由光刻和刻蚀引起的侧壁粗糙度始终是重要因素，我们的首要尝试就是降低这种粗糙度。实现这一目标的有效方法是光刻胶回流，该方法已被广泛用于降低光刻胶图形的线边缘粗糙度，在我们此前用于AlGaAs波导制造的工作中也有所采用。在此，我们对光刻胶回流对AlGaAs波导侧壁粗糙度和损耗的影响进行了更全面的研究。在光刻胶（UV6TM-0.8）图形化之后，使用热板在155 °C下进行回流处理3分钟。为考察回流效果，我们直接比较了刻蚀前未经回流和经回流处理的光刻胶图形，并在图2中展示了SEM结果。可以清楚地看到，回流能有效平滑光刻胶图形的边缘，最终避免在干法刻蚀过程中将粗糙度转移到波导上。光刻胶回流应谨慎进行，因为它可能导致光刻胶图形圆角化并最终形成倾斜的刻蚀侧壁。在我们的情况下，得益于AlGaAs相对于SiO₂的高刻蚀选择性（>10），硬掩模可以非常薄，从而消除这种圆角效应。图2. 光刻胶图形的SEM结果：(a)和(b)未经回流处理；(c)和(d)经回流处理。在研究侧壁粗糙度对波导损耗的影响时，我们采用了商用MOCVD AlGaAs，其在AlGaAs层与GaAs衬底之间具有500 nm InGaP腐蚀停止层，InGaP通过HCl选择性腐蚀。采用该外延晶圆时，波导底面粗糙度σ≈0.45 nm，顶面粗糙度σ≈0.75 nm。在图3中，我们展示了未经和经光刻胶回流工艺的刻蚀AlGaAs波导的结果。从高分辨率俯视SEM图像（图3(a)和3(c)）可以清楚地看到，波导的线边缘粗糙度显著降低。为进行定量比较，我们从SEM图像提取的线边缘粗糙度轮廓估算了粗糙度σ，结果显示粗糙度σ从未经回流时的约2.2 nm降低至经回流后的约0.9 nm，表明侧壁粗糙度显著降低。回流的效果在侧壁SEM图像（图3(b)和3(d)）中更为明显，显示出未经回流时从光刻胶图形转移而来的沟槽状粗糙度，而经回流工艺后则为光滑侧壁。为考察回流对波导损耗的影响，我们制备了AlGaAs微环并测试了Q因子。对于半径为30 µm、宽度约为850 nm的微环，未回流时的本征Q因子测得约为0.2×10⁶，而回流后达到约1.0×10⁶，意味着散射损耗降低了约5倍。这也表明，未经回流工艺的波导中由侧壁粗糙度引起的散射损耗占主导地位。在后续实验中，所有波导制造均采用回流工艺。图3. 未经/经光刻胶回流的刻蚀AlGaAs波导侧壁的SEM图像：(a)俯视图和(b)倾斜视图为未经回流处理；(c)和(d)为经回流处理的对应图像。由于波导中底面/顶面的粗糙度仍然较高，甚至与侧壁相当，我们降低散射损耗的第二次尝试是降低底面/顶面的粗糙度。在此，我们将MOCVD生长中的腐蚀停止层从InGaP替换为Al₀.₈Ga₀.₂As，该材料常被用作选择性腐蚀GaAs的腐蚀停止层，同时可获得光滑表面。采用这种外延结构后，Al₀.₈Ga₀.₂As层在稀释HF中以精确控制的时间进行选择性腐蚀以避免过腐蚀，我们实现了底面和顶面粗糙度σ均小于0.25 nm，如图4(a)和4(b)所示。其中底面为MOCVD生长的AlGaAs原生表面，顶面为去除腐蚀停止层后的表面。图4. 波导底面和顶面的AFM图像：(a)底面粗糙度σ=0.19 nm；(b)顶面粗糙度σ=0.25 nm。采用表面改善后的MOCVD AlGaAs制备的微环的实测Q因子（有载QL和本征Q0）：(c)半径为28 µm、宽度为850 nm的微环；(d)半径为143 µm、宽度为1000 nm的微环。红色曲线为洛伦兹函数拟合结果。我们制备了微环，并在类似尺寸的微环中测得了高达2.2×10⁶的本征Q0，如图4(c)所示。显然，在表面改善后，Q因子从1.0×10⁶提高到了2.2×10⁶。在半径更大（143 µm）且宽度更宽（1000 nm）的微环中测得了最高的Q值，其Q0为2.72×10⁶，如图4(d)所示。鉴于侧壁粗糙度现在主导了底面/顶面粗糙度，波导损耗的主要来源是由侧壁散射引起的。尽管如此，通过进一步平滑底面/顶面以及可能提高材料质量，仍有望获得更高的Q因子。到目前为止，我们在上述演示中使用了MOCVD外延AlGaAs薄膜。然而，另一种类型的外延AlGaAs是通过MBE生长的。与MOCVD方法相比，MBE在晶体纯度和薄膜厚度控制（可达单原子层精度）方面具有优势。因此，我们进一步在波导制造中探索了内部MBE生长的外延AlGaAs，以期在微环中获得更高的Q因子。需要注意的是，腐蚀停止层仍为厚度500 nm的Al₀.₈Ga₀.₂As 。通过优化MBE生长条件，尤其是针对表面质量，我们实现了原子级平滑的AlGaAs原生生长表面（波导底面），粗糙度σ=0.15 nm，如图5(a)所示。图5(b)显示了去除腐蚀停止层后表面（波导顶面）的AFM结果，其粗糙度接近原生生长表面。与MOCVD AlGaAs相比，两个表面均得到进一步改善。我们采用MBE AlGaAs制备了微环并表征了Q因子，如图5(c)和5(d)所示。为便于比较，我们选取了与图4(c)和4(d)相同设计的微环结果。可以看出，半径为28 µm和143 µm的微环Q0分别进一步提高了43%和30%。这可以归因于表面平滑度和材料质量的共同改善。鉴于散射损耗目前由侧壁粗糙度主导，后者可能是主要贡献因素。我们进一步采用纳米波导中散射损耗的3D分析估算了散射损耗限制的Q值，该分析将散射损耗与表面均方根粗糙度σ和相关长度Lc（此处对于DUV光刻和表面AFM表征，Lc≈50 nm是合理的）相关联。在回流后侧壁粗糙度σ≈0.9 nm的条件下，宽度为1000 nm的波导的散射损耗限制Q估算约为1.7×10⁷。考虑到在我们的情况下模式场与波导界面的相互作用强度相似（如图1(a)所示），则根据图4和图5中测得的AFM σ，顶面/底面散射损耗限制Q可估算为>1.0×10⁸。因此，图4(d)和图5(d)中的Q因子受限于表面散射损耗的程度较小，而主要受限于吸收损耗。由于两种器件具有相同的制造工艺，图4(d)和图5(d)中Q的差异可归因于MOCVD与MBE之间AlGaAs材料损耗的不同，后者具有更低的材料损耗。图5. 波导底面和顶面的AFM图像：(a)底面粗糙度σ=0.15 nm；(b)顶面粗糙度σ=0.17 nm。采用表面改善后的MBE AlGaAs制备的微环的实测Q因子：(c)半径为28 µm、宽度为850 nm的微环；(d)半径为143 µm、宽度为1000 nm的微环。红色曲线为洛伦兹函数拟合结果。图6展示了我们在测量中不同半径和宽度的AlGaAs微环的Q0值。为简便起见，我们仅选取了不同设计中观测到最高Q值的谐振。通过增加宽度或增大半径，Q值均有所提高，这是因为模式与侧壁粗糙度的相互作用减弱，从而降低了散射损耗。特别是对于小尺寸微环，通过增大半径可有效提高Q因子。当半径超过28 µm且宽度大于850 nm时，Q值增长非常缓慢，在半径为143 µm的微环中测得最高值为3.52×10⁶。采用与上文相同的散射损耗分析，我们可以估算波导宽度变化时损耗对Q因子的贡献。我们研究了半径为143 µm的最大尺寸微环的Q因子。对于宽度为650、850和1000 nm的情况，侧壁散射损耗（σ≈0.9 nm）限制的Q因子分别估计为4.6×10⁶、1.0×10⁷和1.7×10⁷。可以看出，在较窄波导中侧壁散射损耗是Q因子的主要贡献因素，例如宽度为650 nm时其贡献高达72%。对于较宽波导（如宽度超过1000 nm），Q因子受限于其他损耗机制，如界面吸收和体吸收。总体而言，据我们所知，我们的结果代表了集成III-V微谐振器中的创纪录Q因子。除Q因子外，腔的另一个重要品质因数是精细度，它直接衡量腔内的场增强效果。我们在半径约为12 µm的微环中获得了高达1.4×10⁴的精细度，这是片上III-V微谐振器中的另一项创纪录结果。在此类高精细度腔中，光与物质的相互作用可被大幅增强，有利于许多物理过程，例如非线性过程中的低阈值光参量振荡（OPO）。图6. 不同半径和宽度的AlGaAs微环的实测Q因子表1总结了上述讨论的结果，其中列出了不同半径的AlGaAs微环的实测Q因子，半径为约12 µm和约28 µm的微环宽度为850 nm，半径为143 µm的微环宽度为1000 nm。这些器件来自不同批次的制造，采用了两种外延AlGaAs和不同的工艺，如上述讨论。Run 1和Run 2的腐蚀停止层为InGaP，其余为Al₀.₈Ga₀.₂As。根据SEM表征，经过回流工艺的各批次器件的侧壁粗糙度几乎相同。需要注意的是，在某些比较中，由于各批次使用的设计不同，微环的尺寸略有差异，这也是部分数据缺失的原因。此处列出的每个Q0因子是在多个相同尺寸微环中，于1500 nm至1600 nm范围内各谐振中测得的最高值。此外，在表1中我们还纳入了Run 4的数据，其制造工艺与Run 5相同，但顶面粗糙度高于Run 5（由于腐蚀停止层的显著过腐蚀所致）。通过比较其结果，我们再次证明了表面粗糙度对波导损耗的明显影响。值得指出的是，尽管Run 4中波导的表面粗糙度高出2倍以上（即更高的表面散射损耗），但Run 3和Run 4在相同尺寸微环中的Q因子非常接近。这再次清楚表明，在材料质量方面，MBE AlGaAs优于MOCVD。事实上，从我们对不同批次外延晶圆的所有实验来看，MBE样品的Q因子结果系统性地高于MOCVD样品。这也是标准观察结果，源于MBE中使用超高纯度的元素源材料，而MOCVD中使用金属有机前驱体，后者会导致更高的背景掺杂水平。表1清楚地表明，系统地降低绝缘体上铝镓砷波导的表面粗糙度是提高Q因子的有效途径。这可以通过工艺优化来实现，包括键合和图形化。除散射损耗外，外延AlGaAs的材料损耗在最终波导损耗中也起着重要作用，在我们的研究中MBE AlGaAs提供了更好的材料质量。在测量中，我们还观察到谐振存在显著的分裂（约为本征线宽量级），这源于微环中顺时针和逆时针模式之间由散射引起的模间耦合。由于波导的底面/顶面接近原子级平滑，侧壁粗糙度被认为是光散射的主要来源，尤其是在窄波导宽度的情况下，如上所述。这可以通过采用先进光刻技术（例如193 nm DUV）和进一步优化刻蚀工艺来进一步改善。最后，表面吸收也可能是我们AlGaAs波导中损耗的来源之一。已有研究发现，表面处理和钝化（通过Al₂O₃沉积）可以强烈抑制表面吸收，从而改善GaAs谐振器的Q因子。在我们的波导制造中，在工艺过程中（键合前、腐蚀停止层去除后和干法刻蚀后）也在AlGaAs表面实施了Al₂O₃钝化。为简化制造，未进行表面预处理，而更有效的钝化可能需要该步骤。因此，为进一步提高Q因子，未来全面研究表面吸收对AlGaAs波导损耗的影响可能具有重要意义。结合AlGaAs波导中的高非线性和高光场限制，所获得的超高Q值AlGaAs微环无疑能够实现超高效率的非线性过程。作为这种能力的演示，我们利用这些AlGaAs微环进行了频率梳产生实验。所测试的微环宽度约为650 nm，具有反常群速度色散，半径分别为12 µm（FSR为1 THz）和143 µm（FSR为90 GHz），在泵浦谐振处的Q0分别约为2×10⁶和3×10⁶。图7显示了两个微环在不同泵浦功率下的输出频率梳光谱。对于1 THz微环，在泵浦功率为23 µW（总线波导中的功率）时，可以清晰地观察到四波混频边带（图7(a)）。在仅150 µW的较高泵浦功率下，梳状线覆盖了150 nm的波长范围（图7(b)），而该功率仍比氮化硅片上谐振器的创纪录OPO阈值低两倍。对于90 GHz微环（图7(c)和(d)），在泵浦功率为120 µW时可观察到多条梳状线。当泵浦功率增加到850 µW时，频率梳扩展至200 nm的波长范围；更重要的是，梳状线在整个梳状跨度内是完整的，没有缺失线。这表明孤子频率梳有望在亚毫瓦功率水平下进一步实现。由于90 GHz的重复频率是可电子检测的，我们的结果潜在地允许未来实现超低功耗的芯片级微梳。最后，我们还利用表达式从理论上估算了阈值功率，其中λ为泵浦波长，V为模式体积，Qc和QL分别为谐振器的耦合和有载品质因子。考虑临界耦合即Qc=2QL=Q0，我们估算出1 THz微环和90 GHz微环的阈值功率分别约为11 µW和54 µW，与实验结果大致吻合。图7. 两个AlGaAs微环的频率梳光谱：1 THz微环在泵浦功率为(a) 23 µW和(b) 150 µW下的光谱；90 GHz微环在泵浦功率为(c) 120 µW和(d) 850 µW下的光谱。(d)中的插图：选定波长范围内梳状光谱的放大图。所展示的AlGaAs纳米波导中的超低功率阈值可以从根本上降低片上非线性过程的工作功率。这在AlGaAs中具有重要意义。首先，它极大地放宽了对泵浦激光器的要求，仅需几毫瓦的输出功率。相比之下，其他非线性材料平台通常需要输出功率在数十毫瓦以上的泵浦激光器，这仍然是实际应用的主要限制。其次，由于工作功率低，在单个AlGaAs芯片上实现多种非线性功能成为可能；例如，同时集成二次谐波产生和频率梳产生以实现自参考。最后，AlGaAs光子集成电路是与集成激光技术（如III-V/Si异质激光器）相结合的可行方案，朝着AlGaAs非线性光子集成电路的单片集成方向发展。总之，我们通过系统优化制造工艺降低表面粗糙度，显著降低了绝缘体上铝镓砷波导中的损耗。在此基础上，利用MBE生长的AlGaAs，我们展示了超低损耗、高光场限制的微环谐振器，其本征Q因子高达3.52×10⁶，精细度高达1.4×10⁴，这代表了集成III-V族光子集成电路中的创纪录结果，甚至可与绝缘体上硅光子集成电路的最先进水平相媲美。此外，得益于高非线性和低损耗，我们在这些AlGaAs谐振器中展示了超高效频率梳产生，对于自由光谱范围为1 THz和90 GHz的谐振器，分别实现了约20 µW和约120 µW的创纪录低阈值功率。这些成果对于将AlGaAs实现为一种新型集成非线性平台具有重要意义。我们的工作应会推动基于AlGaAs中二阶和三阶非线性效应的多个非线性研究领域，如二次谐波产生、频率梳和孤子产生以及全光信号处理。它将为芯片上对效率要求苛刻的非线性应用开辟新的机遇。最后，结合现有的（Al）GaAs相关光电子技术，当前开发的低损耗绝缘体上铝镓砷平台将在不久的将来，通过在（Al）GaAs光子集成电路中集成无源/有源以及线性/非线性功能，实现更广泛的光子应用。
