摘要—非线性光子学与集成光子学的结合近来蓬勃发展，其中微谐振器中的克尔频率梳产生¹是最为显著的成就。高效的非线性光子芯片具有广泛的应用，包括高速光信号处理²⁻³、片上多波长激光器⁴⁻⁵、计量学⁶、分子光谱学⁷以及量子信息科学⁸。砷化铝镓（AlGaAs）在其带隙能量的一半以下工作时，表现出很高的材料非线性和低的非线性损耗⁹⁻¹⁰。然而，器件加工方面的困难以及器件有效非线性较低，使得克尔频率梳的产生一直难以实现。在此，我们展示了绝缘体上铝镓砷作为通信波长下的非线性平台。利用新开发的制造工艺，我们展示了在平面电路中带有集成总线波导的高品质因子（Q>10⁵）微谐振器，在该谐振器中，光参量振荡以创纪录的3毫瓦低阈值功率得以实现，并获得了跨越350纳米范围的频率梳。我们的演示表明，绝缘体上铝镓砷平台在集成非线性光子学领域具有巨大潜力。关键词—砷化铝镓（AlGaAs），集成非线性光子学，光参量振荡468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbeALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，离子束溅射镀膜工艺，吸收小损耗低
SINOI晶圆--超低损耗LPCVD+annealing氮化硅薄膜晶圆，210nm-300nm-400nm-800nm
SICOI晶圆；新型光量子波导平台减薄抛光工艺500nm-700nm-1um
8寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶300600
6寸X切Z切掺镁薄膜铌酸锂晶圆 ，厚膜 3um 5um 和 薄膜 100-600nm
8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产
流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆
划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束光刻等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
请联系小编免费获取原文
文章名：AlGaAs-On-Insulator Nonlinear Photonics作者：Minhao Pu*, Luisa Ottaviano, Elizaveta Semenova, and Kresten Yvind**单位：DTU Fotonik, Department of Photonics Engineering, Technical University of Denmark, Building 343, DK-2800 Lyngby, Denmark引言—用于全光χ⁽³⁾非线性芯片的理想材料特性包括：高克尔非线性，以及低线性和非线性损耗，以实现高四波混频效率和参量增益。已有许多材料平台被研究，显示出非线性与损耗之间的不同权衡取舍。除了良好的本征材料特性外，具备精确且高良率加工能力也是可取的，以便在同一芯片上集成更多功能并降低线性损耗。绝缘体上硅是集成领域的标杆平台。它支持大折射率对比度和浅刻蚀深度，能够实现具有光滑侧壁的亚微米结构图案化。然而，由于通信波长（如1550纳米）下的双光子吸收效应，高参量增益和克尔频率梳产生仅在泵浦波长超过2000纳米时才得以实现。砷化铝镓（AlxGa1-xAs）早期就被认定为一个有前景的候选材料，甚至被称为工作在其带隙能量略低于一半时的“非线性光学中的硅”。它具有高折射率（n≈3.3）和约10⁻¹⁷ W/m²量级的非线性折射率（n₂），宽透明窗口（从近红外到中红外），以及通过改变合金组分（x）来工程化材料带隙的能力。其带隙可以被调控，使得四波混频过程中的主要有害效应——双光子吸收得到抑制，同时三光子吸收较低，而高材料非线性得以保持。在过去的二十年中，人们已做出努力在AlGaAs波导中实现高效的非线性过程。然而，制造具有非常高且窄的台面结构的此类波导变得极具挑战性，并且阻碍了超越简单直波导的先进设计。此外，此类波导的低垂直折射率对比度限制了其有效非线性。为了增强光场限制并放宽刻蚀工艺要求，我们提出了一种绝缘体上铝镓砷（AlGaAsOI）平台，如图1a所示。在该布局中，一层薄薄的AlxGa1-xAs层位于低折射率绝缘层之上，并附着在半导体衬底上。采用晶圆键合和衬底去除技术来实现该结构。在本工作中，铝组分（x）为17%，这使得材料带隙为1.63电子伏特，折射率为3.33。得益于该布局的大折射率对比度（约55%），光可以被限制在亚微米波导芯层中。由于非线性参数（γ）高度依赖于波导有效模式面积（Aeff），其表达式为γ=2πn₂/λAeff，对于截面尺寸为320纳米×630纳米的AlGaAsOI波导，可获得约660 W⁻¹m⁻¹的超高有效非线性，这比典型的Si₃N₄波导高出数个数量级（见方法部分）。此外，对于亚波长尺寸的波导，波导色散占主导地位而非材料色散，因此群速度色散可以从体材料的正常色散调控为反常色散（图1b），这是在非线性过程中获得参量增益所必需的。高折射率对比度波导器件的性能通常受限于由表面粗糙度引起的光散射所导致的线性损耗。需要高质量的外延材料生长和衬底去除来确保波导顶部和底部表面的平滑度，同时良好的光刻和干法刻蚀工艺决定了波导侧壁的表面粗糙度。一个关键要素是衬底去除过程中腐蚀停止层的选择（见方法部分），因为例如氢氟酸对Al(Ga)As的刻蚀会留下过于粗糙的表面。图1c展示了所制备的AlGaAsOI波导的扫描电子显微镜图像，其线性损耗约为1.4 dB/cm。结合超高有效非线性和低损耗，一旦实现了高品质因子（Q）微谐振器，AlGaAsOI便可用于超高效率的非线性参量过程，例如低阈值克尔频率梳产生。
a，绝缘体上铝镓砷（AlGaAsOI）纳米波导的示意图，并附有基横电（TE）模式的模拟电场分布。b，计算得到的截面尺寸为320纳米×630纳米的波导的群速度色散（GVD）随波长的变化曲线。虚线表示体AlGaAs材料的GVD。c，干法刻蚀工艺后AlGaAsOI纳米波导（以蓝色高亮显示）的扫描电子显微镜（SEM）图像。图2a展示了长度为810微米的跑道型AlGaAsOI微谐振器的扫描电子显微镜图像。图2b显示了该谐振器的耦合间隙为170纳米，其中在450纳米宽的总线波导中传播的光可以通过倏逝波耦合到谐振器宽度为630纳米、半径17.5微米的弯曲波导中。该谐振器工作于欠耦合状态，其透射谱如图2c所示，对应横电（TE）模式。在光谱中仅观察到具有约0.82纳米（98吉赫兹）自由光谱范围的一个模式族，这表明具有反常色散的谐振器波导可以工作在单模状态。因此，不同模式族之间模间相互作用引起的色散畸变可以被完全避免，这对于克尔频率梳产生（尤其是时间孤子形成）是有利的，但在所有非线性材料平台中并非都能实现。图2d显示了在1589.64纳米处谐振的实测透射光谱，测得的线宽约为9.6皮米，对应的品质因子Q约为165,600。所有器件的实测Q值在1.5×10⁵至2.0×10⁵之间，比先前报道的AlGaAs微环谐振器的Q值高出一个数量级以上。a，AlGaAsOI微谐振器的俯视扫描电子显微镜图像，显示环形波导和总线波导。b，AlGaAsOI微谐振器耦合区域的等轴测视角扫描电子显微镜图像，其中AlGaAs材料以蓝色标示。c，AlGaAsOI微谐振器的实测（归一化）透射光谱。d，AlGaAsOI微谐振器在1590纳米谐振附近的实测（归一化）透射光谱，有载品质因子Q约为165,600。克尔频率梳产生基于光参量振荡（OPO），而光参量振荡依赖于微谐振器内非线性四波混频过程所带来的参量放大与振荡的共同作用。当连续波泵浦光被调谐到腔谐振以实现热软锁定时，腔内累积的功率在往返参量增益超过谐振器往返损耗的临界功率阈值时触发OPO。为了满足四波混频过程中的动量守恒，泵浦能量只能转移到微谐振器所支持谐振内的等频率间隔上，从而在输出端形成频率梳，如图3a所示。
a，将单频泵浦光耦合到高Q微谐振器中，可在谐振器内实现高效参量过程（简并和非简并四波混频），并允许在微谐振器所支持的模式中产生新的频率。b，当在约1590纳米处将72毫瓦泵浦光耦合到长度为810微米的AlGaAsOI微谐振器中时的输出光谱。产生了线间距为98 GHz、波长范围约350纳米的频率梳。当72毫瓦的泵浦功率耦合到总线波导中时，测得的AlGaAsOI微谐振器光谱如图3b所示。观察到了本征线间距（单倍FSR）、跨越约350纳米的频率梳。总线波导中的阈值功率可通过表达式Pth≈1.54(π2)QC2QLn2n2AeffλP来估算，其中L和λp分别为腔长和泵浦波长，Q_C和Q_L分别为谐振器的耦合品质因子和有载品质因子。由于Q_L和L是相互关联的，我们测量了不同腔长（自由光谱范围从98 GHz到995 GHz）的微谐振器的阈值功率，以探究它们对阈值功率的影响。在欠耦合条件下工作、Q_L约为10⁵的环形微谐振器（见图4a插图）获得了最低阈值功率3 mW。如图4a所示，在阈值处，一次OPO边带的输出功率显著增加。图4b显示了该谐振器在泵浦功率（4.5 mW）略高于阈值时的实测输出光谱。它呈现了典型的OPO初始状态，其中产生了宽间隔（多倍FSR间隔）的一次边带。图4c显示了不同器件的实测阈值功率随Q_L的变化关系，可以看出大多数微谐振器具有毫瓦级阈值，尽管自由光谱范围较小的微谐振器阈值略高。实测数据遵循彩色带所示的理论预测阈值趋势，且通过进一步改进谐振器设计和制造工艺，可预期实现亚毫瓦阈值功率。a，对于插图中所示的直径为25微米、自由光谱范围为995 GHz的欠耦合微谐振器，测得的芯片输出端一次边带功率随总线波导中泵浦功率的变化关系。在3.1 mW的阈值处观察到功率显著增加。b，对于a中同一微谐振器，当泵浦功率增加至略高于阈值功率（4.5 mW）时的光参量振荡输出光谱。c，对具有三种不同自由光谱范围的微谐振器测得的阈值功率：98 GHz（红色）、730 GHz（绿色）和995 GHz（蓝色）。彩色带表示不同微谐振器的理论阈值功率范围（从临界耦合QC=2QL到欠耦合QC=10QL）。由于克尔频率梳产生的动力学已被广泛研究，且锁模频率梳已被演示，克尔频率梳技术正接近实际应用。平面集成平台对于实际系统至关重要，因为它们具有鲁棒性，并具备实现带有片上光源的全集成频率梳系统的潜力。低阈值对于实现这样的系统至关重要。表1总结了若干已在通信波长下演示了频率梳的平面集成非线性材料平台，包括Hydex、Si₃N₄、AlN、Diamond和AlGaAs。AlGaAs的线性折射率在这些平台中最高，这使其成为紧凑型电路最适用的平台。此外，AlGaAs的材料非线性折射率比其他平台高出数个数量级。这些本征材料特性使AlGaAsOI成为非线性参量过程的超高效率平台。因此，即使我们器件的Q_L相对较低，AlGaAsOI平台的OPO阈值功率与其他平台相比仍然是最低的。与快速增长的在单个CMOS兼容芯片上多层集成不同材料的混合集成趋势相一致，AlGaAsOI平台在实现全集成频率梳系统方面非常有前景。由于AlGaAs材料的宽透明窗口，通过适当的色散工程，频率梳有潜力扩展至中红外波段。除了频率梳产生，我们近期还在该平台28上演示了串行数据信号以创纪录的高速率（超过太波特）进行波长转换。超宽带宽和超高效率使AlGaAsOI成为电信领域光信号处理的优异平台。此外，AlGaAs由于其非中心对称晶体结构而表现出强的χ(2)效应29。因此，AlGaAsOI平台也适用于结合χ(2)和χ(3)效应，例如以获得跨倍频程的频率梳30。器件制备 AlGaAsOI样品的制备包括晶圆生长、晶圆键合和衬底去除。在低压金属有机气相外延（MOVPE）反应器中，在50毫米GaAs（100）衬底上生长了一层320纳米厚的Al₀.₁₇Ga₀.₈₃As层，并带有牺牲层。在利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）于AlGaAs层上沉积3微米厚的二氧化硅层后，使用90纳米厚的苯并环丁烯（BCB）层作为生长晶圆与另一片覆盖有10纳米厚二氧化硅层的50毫米半导体衬底之间的键合聚合物。键合过程在晶圆键合系统中于250°C、部分真空（约3×10⁻² Pa）条件下进行一小时，同时对晶圆施加750 N的力。随后，通过湿法腐蚀去除GaAs衬底和牺牲层。使用适当的腐蚀停止层和腐蚀剂至关重要，因为腐蚀副产物可能在AlGaAs薄膜表面造成粗糙度和吸收中心（补充图1）。采用电子束光刻（EBL，JEOL JBX-9500FS）在电子束抗蚀剂氢硅倍半氧烷（HSQ，Dow Corning FOX-15）中定义器件图形。为了在微谐振器的弯曲波导上获得平滑的图形定义，采用了多遍曝光以减轻EBL过程中图形分块拼接带来的影响（补充图2）。随后，在电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）设备中，利用基于三氯化硼（BCl₃）的干法刻蚀工艺将器件图形转移到AlGaAs层中。由于HSQ的折射率相对较低（与SiO₂相似），将其保留在AlGaAs器件图形的顶部。最后，通过PECVD覆盖3微米厚的二氧化硅层作为包层，并对芯片进行解理以形成输入和输出端面，其中纳米锥形结构实现了高效的芯片到光纤耦合，便于表征测试。建模 采用有限元法模式求解器（COMSOL）计算了TE模式在1300纳米至1800纳米波长范围内的波导色散。使用Sellmeier方程纳入SiO₂的色散，并使用修正的单有效振子模型用于AlGaAs。HSQ（残留在AlGaAs顶部的电子束抗蚀剂）的色散假定与SiO₂相同。非线性测量 采用双连续波信号（一个作为泵浦，一个作为信号）在截面为320纳米×630纳米、长度为3毫米的AlGaAsOI纳米波导中进行了四波混频测量。泵浦与信号的频率失谐小于1纳米，以确保相位匹配。我们测量了转换效率η对泵浦功率的依赖关系（补充图4），并通过拟合表达式提取了非线性系数γ。为有效波导长度，α 为线性损耗系数。转换效率根据芯片输出端的光谱确定。泵浦功率通过从光纤输出功率中减去芯片到光纤的耦合损耗来估算。波导传输损耗（1.4 dB/cm）采用改进的截断法在1550纳米处测量得到（补充图3）。假设输入和输出耦合相同，通过从光纤到光纤的插入损耗（约6.3 dB）中减去波导损耗，我们估算出每端面耦合损耗约为2.7 dB。我们获得了超高的非线性系数：约660 W⁻¹m⁻¹。
采用不同衬底去除工艺制备的绝缘体上铝镓砷（AlGaAsOI）晶圆上刻蚀图形的扫描电子显微镜（SEM）图像：a，当使用传统腐蚀停止层时，AlGaAs薄膜的顶部和底部表面观察到较大的粗糙度。b，当使用适当的腐蚀停止层时，可观察到表面平滑度的显著改善。两幅图中AlGaAs材料均以人工蓝色标示。刻蚀掩模氢硅倍半氧烷（HSQ）保留在AlGaAs图形顶部。两种情况均采用相同的干法刻蚀工艺。采用不同EBL工艺在电子束抗蚀剂HSQ中显影后的弯曲图形SEM图像：a，标准EBL工艺导致图形分块之间存在严重的拼接痕迹（以箭头标示）。拼接效应可能源于EBL工艺中的抗蚀剂充电效应。b，多遍EBL工艺减轻了拼接效应，实现了平滑的弯曲波导图形化。a，覆盖SiO₂包层的AlGaAsOI纳米波导（以人工蓝色标示）的SEM横截面图像。苯并环丁烯（BCB）用作键合层，以黄色标示。由于波导截面尺寸为320 nm×630 nm，有效模式面积⁴较小（0.16 µm²），因此可实现强光场限制。b，样品端面处纳米锥形尖端末端的SEM图像。c，不同长度AlGaAsOI波导的实测插入损耗，显示线性损耗约为1.4 dB/cm。每种长度测量了三个波导。改进的截断法测量中所使用的波导具有相同数量的弯曲。通过拟合截面尺寸为320 nm×630 nm、长度为3 mm的AlGaAsOI波导中四波混频的实测转换效率与耦合泵浦功率的关系。获得了约660 W⁻¹m⁻¹的超高有效非线性，由此推导出的Al₀.₁₇Ga₀.₈₃As的材料非线性约为2.6×10⁻¹⁷ W/m²，与先前报道的典型值相近。连续波泵浦激光器（Ando AQ4321D）经掺铒光纤放大器（EDFA，Amonics AEDFA）放大后，通过可调谐带通滤波器（3-dB带宽：16 nm）以最小化放大自发辐射噪声。使用两根透镜光纤进行光纤到芯片的耦合。输出光谱用光谱分析仪（Yokogawa AQ6375）测量。样品衬底温度保持在22.5°C以确保稳定的耦合。实验过程中始终使用功率计（Hewlett Packard 8153A，未显示）监测输入和输出功率。当泵浦-谐振失谐量减小时（从上方光谱到下方光谱）。在一次边带产生之后，子梳状线出现在一次边带附近，并最终合并形成具有本征线间距（单倍自由光谱范围）的频率梳，这展现了文献9中报道的典型演化过程。在泵浦波长调谐过程中，耦合泵浦功率保持恒定（此情况下为42 mW）。图11 不同铝含量的AlGaAsOI微谐振器的频率梳产生性能a,b，铝浓度为15%（a）和17%（b）的AlGaAsOI微谐振器谐振处的透射光谱。c,d，当泵浦被精细调谐到谐振时，铝浓度为15%（c）和17%（d）的微谐振器的实测输出光谱。c和d中的耦合泵浦功率分别为30 mW和7 mW。由于Al₀.₁₅Ga₀.₈₅As的带隙¹⁰（1.61 eV）不足以有效抑制双光子吸收（TPA）⁸，因此在微谐振器中未观察到光参量振荡（OPO），如c所示。然而，随着带隙增大⁸，非线性损耗可显著降低至可忽略水平。因此，稍大的带隙（例如1.64 eV，对应Al₀.₁₇Ga₀.₈₃As）使得双光子吸收显著减少，从而以低得多的泵浦功率在微谐振器中实现OPO，如d所示。图12 AlGaAsOI波导在2 µm以上的色散工程
采用更大尺寸的波导可以在中红外波长范围内获得反常色散，这有望实现用于分子光谱学等应用的中红外频率梳产生。 
