#异质集成 #氮化硅光波导 #光子集成线路
摘要
扩展量子处理器和光学原子钟从根本上需要将光学控制系统的尺寸、重量、功耗和成本降低几个数量级。激光器的光子集成对于满足这些要求至关重要。在通过操纵铷原子实现原子钟和量子计算所需的近红外波长下，激光集成受到光耦合困难和散热不良的阻碍。在此，我们介绍了一种利用微转印印刷的晶圆可扩展方法，将基于 GaAs 的放大器集成到蚀刻凹槽中，直接与氮化硅波导对接耦合。我们使用这种集成方法展示了扩展腔单模激光器。我们的紧凑型微齿轮激光器在片上输出功率 >22 mW 时实现了窄至 3 kHz 的基频线宽——这是 780–800 nm 波段单模异质集成激光器的纪录——壁插效率为 9.4%，展示了这种集成方法的高功率和效率潜力。此外，我们展示了一种利用游标滤波器实现广泛可调谐的激光器，实现了 9 nm 粗调谐的激光发射、超过 140 GHz 的准连续细调谐范围以及 45 GHz 的无跳模调谐范围。我们的可扩展集成激光器工具包在替代下一代量子技术和光学原子钟中的宏观外腔二极管激光器方面显示出巨大前景。
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文章名：Heterogeneously Integrated Efficient and Widely Tunable Lasers at 795 nm for Rubidium-Based Quantum Technologies
作者：Max Kiewiet1,2,∗, Stijn Cuyvers1,2, Tom Reep1,2, Konstantinos Akritidis1,2, Gaudhaman Jeevanandam2, Manuel Reza2, Roelof Jansen2, Pol Van Dorpe2, Günther Roelkens1,2, Kasper Van Gasse1,2 and Bart Kuyken1,2,†
单位：1Photonics Research Group, INTEC, Ghent University- imec, 9052 Ghent, Belgium2imec, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium.
Ⅰ. 引言
图1. 扩展基于铷的量子控制系统。可调谐游标激光器和低噪声微齿轮激光器照射 Rb 蒸气池的展望示意图，并突出显示了应用（插图）：Rb 光谱学和波长锁定；与 Rb D1 线相互作用用于量子计算。图中标记为 794.8 nm 的 D1 波长是空气波长，对应于真空中的 795.0 nm。
通过光子集成电路（PIC）小型化用于中性原子和离子相互作用的复杂光学控制系统，被公认为将量子处理器扩展到数千个物理量子比特以上的关键硬件瓶颈 [1]。中性原子与铷（Rb）的相互作用处于现代量子技术的前沿，推动了容错量子计算 [2] 和高度可部署的光学原子钟 [3, 4] 的关键进展。目前，宏观外腔二极管激光器（ECDL）和体自由空间光学器件主导着原子操纵。将这些实验室规模的演示转化为可扩展、可现场部署的架构，从根本上需要将尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）降低几个数量级。
Rb 基量子系统中的物理操作对激光源施加了异常严格的约束，特别是在 795 nm 和 780 nm 处的 D1（5S₁/₂ → 5P₁/₂）和 D2（5S₁/₂ → 5P₃/₂）主跃迁附近 [5–8]。这些过程要求连续波（CW）激光器具有低于 100 kHz 的基频线宽——远低于主原子跃迁约 6 MHz 的自然线宽 [9]——以及超过 10 mW 的片上输出功率，以确保快速态制备和高效原子冷却。对于使用例如里德堡态 [10, 11] 的更高保真度量子系统，对激光线宽提出了更严格的要求，需要亚千赫兹或理想情况下 10 Hz 级的固有线宽 [12, 13]。
此外，将这些技术转化到现场需要稳健的绝对频率参考。通过分辨 D1 或 D2 跃迁的窄超精细结构，无多普勒技术产生光谱特征，可作为精确激光频率稳定和时间参考的理想鉴频器 [4, 14, 15]。
为满足严格的 SWaP-C 和相干性要求，以解决扩展此类应用时的激光硬件瓶颈，人们已在 780–800 nm 近红外窗口积极追求各种光子集成策略。在原生 III-V 衬底（如 GaAs、InP）上的纯单片集成提供了稳健的有源器件，但存在相对较高的内部传播损耗，限制了腔品质因子（Q），从而限制了可实现的最小线宽 [16, 17]。混合集成通过将独立的 III-V 增益芯片边缘耦合到超低损耗介电平台（如氮化硅（SiN））来规避这一限制，以创建扩展腔激光器，通过自注入锁定实现亚 Hz 基频激光线宽 [18]，但代价是高度复杂且难以扩展的有源芯片对准。
最近，完全异质集成已成为一种高度可扩展且可制造的替代方案。在早期异质框架的基础上，研究人员通过直接晶圆键合成功展示了亚微米 [19] 和 780–800 nm 波段 [20–22] 的最先进完全集成 GaAs-on-SiN 激光器，实现了 <6 kHz 的固有线宽、超过 100 GHz 的宽无跳模调谐范围以及调制器和光电探测器的协同集成。然而，在这些较短波长下的传统晶圆键合需要复杂的倏逝耦合锥形结构，这需要高制造公差，特别是在临界尺寸减小的较短波长下。此外，晶圆键合激光器固有地受到集成 III-V 材料下方厚氧化物下包层散热不良的影响。这种热隔离，加上为促进倏逝耦合而施加的次优外延层设计要求，导致壁插效率（WPE）降低，并且由于热翻转而降低最大输出功率。这意味着晶圆键合异质激光器虽然非常适合大多数低功率应用，但在需要更高输出功率的应用中其应用潜力受到限制。
使用更灵活的微转印印刷（MTP）方法 [23, 24]，完全预制的基于 GaAs 的反射半导体光放大器（RSOA）可以直接对接耦合到 SiN 平台上的蚀刻凹槽中，实现高效、波长无关的光耦合以及直接到硅衬底的优异散热 [25, 26]。该技术的首次演示展示了将独立的法布里-珀罗激光器芯片在 C 和 O 波段对接耦合到硅光子学 [27, 28]，在片上达到高达单 mW 级的输出功率，与硅光子学平台的耦合效率 <10%。最近，相同的方法被用于在两个 SiN 波导上分配达到 >100 mW 的功率 [29]，展示了该技术的高功率和效率潜力，利用了与倏逝耦合激光集成相比更优异的散热和更优化的外延层设计。为了展示更复杂激光器架构的潜力，我们展示了扩展腔法布里-珀罗和锁模激光器 [30]。然而，尚未展示使用对接耦合 MTP 的单模或可调谐激光器。
在本工作中，我们首次展示了使用对接耦合 MTP 的扩展腔单模激光器，如图1所述。我们利用了两种单模扩展腔架构，旨在满足原子物理的多样化需求：一种紧凑型微齿轮激光器，采用分布式布拉格反射器微环谐振器（DBR-MRR），具有 3 kHz 的低固有线宽和在 794 nm 处创纪录的高单模输出功率 >22 mW；以及广泛可调谐的单模游标激光器，在 795 nm 波长附近具有 9 nm 的粗调谐范围、>140 GHz 的准连续细调谐和 45 GHz 的无跳模调谐范围。这些激光器共同展示了一个完整、高度可扩展、高效且低噪声的集成平台，能够替代宏观 ECDL，用于下一代 Rb 量子处理器和原子钟的光谱学和态制备。
Ⅱ. 结果
A. 使用对接耦合微转印印刷的异质激光集成
在此，我们在先前工作 [30] 提出的异质集成 (Al)GaAs/SiN 光子平台基础上进一步构建。III-V 族制造工艺如图2a所示。针对对接耦合优化的外延层堆叠，其厚 n 接触层位于 InGaP 释放层上，被加工成具有顶侧 n 接触的边缘发射 RSOA。RSOA 具有浅蚀刻波导脊和蚀刻端面。RSOA 的后端面涂覆有金高反射（HR）涂层，并相对于波导传播方向垂直以最大化反射。前端面涂覆有 SiN 抗反射（AR）涂层，并以 7° 角倾斜，以防止任何可能破坏激光性能的背反射进入激光模式。激光加工后，RSOA 被封装在厚（>5 µm）光刻胶层中，并通过蚀刻 InGaP 释放层从源衬底释放，留下由光刻胶系留在衬底上的独立激光芯片。
激光集成工艺如图2b所示。将钛基加热器添加到 SiN 波导平台上，该平台具有蚀刻到硅衬底的凹槽，用于对接耦合 MTP 集成。然后使用弹性体印章拾取 5 µm 厚的 RSOA“芯片”，打破光刻胶系留，并将其微转印到蚀刻凹槽中。通过控制外延层厚度和凹槽蚀刻深度来确保垂直对准。RSOA 集成后，芯片使用苯并环丁烯（BCB）层进行外覆盖和平坦化。最后，在 BCB 中蚀刻电通孔以接触激光器和加热器触点，并添加金再分布层（RDL）。
耦合到 SiN 波导的异质集成 RSOA 是创建稳定单模激光器的强大引擎。为了完成单模激光器，必须在 SiN 电路中完成腔，为 RSOA 提供反馈并进行波长滤波。光反馈强度与 RSOA 增益带宽相结合，决定了可能的激光波长。RSOA 的净内部增益随注入电流的变化见补充材料图S1。通过将光反馈滤波到激光带宽内的仅一个波长，可以实现稳定的单模激光。此外，通过使用低损耗 SiN 波导/谐振器增加腔内的光子寿命，可以降低激光器的光学线宽，从而产生更稳定和光谱更纯的激光输出。在本工作中，这是通过两种不同的架构实现的，将在下文中概述。
图2. III-V 芯片制备和集成工艺。a. 用于芯片制造的 III-V 工艺：1. 外延层堆叠；2. 激光器定义，包括波导脊、端面蚀刻和涂层以及金属接触；3. 光刻胶封装和释放蚀刻，留下独立芯片；4. 使用弹性体印章拾取芯片，打破光刻胶系留。b. SiN 晶圆上的集成工艺：1. SiN 晶圆中的凹槽蚀刻；2. Ti 加热器定义；3. III-V 芯片在凹槽中的微转印印刷；4. BCB 平坦化、通孔蚀刻和 RDL 金属化。
B. 高效低噪声单模微齿轮激光器
对于第一种架构，我们使用微齿轮反射器/DBR-MRR [31] 创建了一种窄线宽且高效的单模激光器，该名称来源于 Fujita 和 Baba 首次展示的齿轮状波纹谐振器几何结构 [32]。这种谐振反射器结合了分布式布拉格反射器（DBR）的波长选择性与微环谐振器（MRR）的长光子寿命和紧凑（200 µm×200 µm）占地面积。它由一个 MRR 组成，其内波导侧壁刻有布拉格光栅，如图3a所示。选择布拉格周期使得整数个周期适合一个环周长，以消除由于光栅微扰不连续性引起的相位误差。由于一个环周长中的周期数非常大（>3000），这种舍入误差不会显著改变 MRR 的自由光谱范围（FSR）。在 MRR 谐振处，耦合到谐振器中的场幅度将建立，产生长光子寿命和尖锐的光谱峰。微齿轮侧壁中的布拉格光栅通过共振反射光来耦合谐振器的前向和后向模式。如果侧壁波纹的幅度选择得足够小，反射带宽可以小于谐振器的 FSR，如图3b所示。这导致谐振器只有一个纵模经历反射。由此产生的前向和后向模式之间的耦合导致谐振分裂为两个杂化模式，两者都显示出强反射。由于这种反射具有高度的光谱选择性，它可以用于创建完全单模激光器。这可以通过使用反射器自注入锁定激光器 [33] 以实现单模操作，甚至创建微梳来实现。或者，可以通过使用反射器作为频率选择性腔镜 [34] 创建扩展腔激光器，以不太复杂的方式实现单模激光。这里选择了后一种策略，因为它与微转印印刷的 RSOA 芯片很好地配对，以创建非常紧凑的单模激光器，而不增加任何制造复杂性。
图3. 微齿轮激光器的工作原理和测量。a. 激光腔示意图；b. 模拟的微齿轮反射器反射和透射光谱示例，显示单个分裂和反射模式；c. 微齿轮反射器的测量，插图为反射器的模型示意图。
为了测试微齿轮反射器的性能，使用 Toptica ECDL 和光纤马赫-曾德尔干涉仪频率参考对所用反射器的透射和反射进行了表征。这在补充说明2中有更详细的描述。反射和透射使用片上测试结构测量，也在该补充说明中显示。反射器被设计为具有最小反射，以减小布拉格反射的带宽，从而最小化显示反射的谐振数量。为此，选择了仅 5 nm 的设计光栅幅度。无源结构由预退火的 300 nm 厚低压化学气相沉积（LPCVD）SiN 层在氧化物上制造，并使用电子束光刻（EBL）进行图案化。蚀刻后，添加了 SiO₂ 上包层。微齿轮的透射和反射使用参考结构测量，如图3c所示。对测量数据拟合了时间耦合模理论（t-CMT）模型 [35]。该模型如插图所示，其中 μ 是反射率，γ_t 是总损耗率，包括外部（耦合器）损耗率（γ_e）和内部损耗率（γ_in）。该模型在补充说明3中有更详细的描述。布拉格光栅的最小幅度从透射光谱中模式的小分裂可以明显看出。此外，在反射光谱中，两个模式无法区分。尽管模式的重叠略微加宽了反射带宽，降低了反射的整体 Q 因子，但这样做的优点是只有一个反射峰，消除了两个杂化反射模式之间的任何跳模失稳。拟合得出内部损耗率为 0.52 GHz，外部损耗率为 0.20 GHz，表明谐振器处于欠耦合状态。选择该状态是为了最大化反射器的透射率，以允许高输出功率操作。拟合的反射率为 μ = 0.67 GHz，与总损耗率 γ_t = γ_e + γ_in = 0.72 GHz 非常相似，解释了几乎无法区分的谐振。微齿轮反射器的加载 Q 因子为 261k（根据拟合的损耗率计算），对应于 364k 的固有 Q 因子。该品质因子受限于微齿轮中的侧壁散射损耗以及刻入侧壁光栅引入的散射损耗，可以通过从研发工艺环境转向商业低损耗平台来改善。
在 SiO₂ 上包层沉积后，集成 RSOA，得到如图4a所示的激光器。激光器的输出使用光栅耦合器耦合出芯片。该激光器非常紧凑，尺寸约为 1.5 mm × 0.25 mm。LIV 曲线如图4b所示，同时显示了 WPE 曲线。当驱动电流增加到 55 mA 阈值以上时，输出功率显著振荡。这是由于腔的纵模调入和调出微齿轮反射器的反射模式所致。这是因为激光腔的往返相位随着电流扫描而变化。由于反射器也具有非常强的相位响应，微齿轮反射的波长仍然可以通过使激光略微偏离谐振而与激光腔同相。这种振荡效应可以通过使用例如微加热器向腔中添加可调谐相位区来大部分抵消。如果对所有驱动电流选择最佳添加相位，LI 曲线将遵循当前 LI 曲线的峰值。这些峰值遵循 0.37 W/A 的线性斜率效率，表明异质扩展腔器件具有非常高效的激光发射，至少在 120 mA 之前没有可见的热翻转。从 LI 曲线来看，耦合效率难以估计，因为我们无法确定微齿轮激光器何时在微齿轮谐振处发射。然而，在先前的工作中，该效率被提取为约 50%。激光器的最大 WPE 在 115 mA 驱动电流下测得为 9.4%。该值接近该波长下商用分布式反馈（DFB）激光器的值。从图4c的光谱演化图来看，在启动阶段直到 70 mA 之后，激光器似乎在两个激光模式之间切换：设计反射在 793.6 nm 和另一个在 796.1 nm 的模式。这意味着微齿轮在与刻入 DBR 光栅不完全谐振的波长处也具有显著反射。这很可能是由于 DBR 响应的旁瓣，如先前工作 [34] 中所示。从图4d中两个激光模式的光谱来看，可以测得 >44 dB 的边模抑制比（SMSR），受限于 RSOA 的放大自发发射（ASE）背景。使用 OEwaves OE4000 噪声分析仪测量的 100 mA 激光模式的频率噪声谱如图4e所示。从该图可以提取出 3.0 kHz 的窄基频线宽。由于该频率噪声测量是在固定驱动电流下进行的，它证实了在固定工作点下激光器稳定地以单纵模运行；因此，LI 曲线中观察到的输出功率振荡反映了偏置扫描时的模式转变，而不是任何单一工作电流下的不稳定性。该线宽比典型的 DFB 演示窄得多，并且低于 D1 线附近 Rb 谐振的线宽，使其适用于亚多普勒冷却和低噪声态制备。这是通过利用直接对接耦合的 RSOA 芯片实现的，同时保持与 DFB 激光器相似的效率。通过向微齿轮反射器添加相位区加热器和加热器，可以获得对输出功率和激光波长的更多控制。这将使激光器完全准备好用于使用 Rb D1 线的量子计算应用。为了提高微齿轮激光器的性能，可以改变反射器与总线波导之间的耦合率。更大的耦合率将导致更高的反馈进入 RSOA，从而导致更窄的线宽，但代价是输出功率/效率。反过来也可以通过减小反射器-总线波导耦合来提高激光器的斜率效率，尽管这也会增加线宽和阈值电流。通过使用更优化的 SiN 平台，可以达到高达 200 万的品质因子 [33]。由于固有或肖洛-汤斯线宽按 ∆ν_ST ∝ 1/Q² 缩放 [36, 37]，这将导致约 50 Hz 的线宽，使激光器适用于高精度计量。凭借更高的品质因子，微齿轮激光器可能被用于以与本工作产生的相似的片上功率生成孤子 [38]，从而制造紧凑、高效的频率梳源。这需要高达 20 mW 的泵浦功率，这对于本工作中展示的激光器是可以达到的。这将需要精确的色散工程与背散射率相结合，背散射率由 DBR 波纹幅度控制。使用 RSOA 代替先前演示中使用的 DFB [33] 的优势和可行性仍有待确定。
图4. 微齿轮激光器的结果：a. 完全加工后的激光器的显微镜图像；b. 微齿轮激光器的 LIV 曲线以及相应的壁插效率（WPE）；c. 激光光谱随激光驱动电流的变化；d. 两个主要激光模式的激光光谱；e. 100 mA 下激光模式的频率噪声谱。
C. 宽可调谐单模激光器
创建单模扩展腔激光器的一种更常见且灵活的选择是在扩展反馈腔中使用游标滤波器。该滤波器可以与宽带萨格纳克环镜结合，以创建激光器的扩展腔，如图5a所示。这先前已在全光谱范围内的波长上通过混合集成展示 [36, 39, 40]，其中 III-V RSOA 芯片与带有游标滤波器的低损耗反馈芯片对接耦合。使用更具可扩展性的、通过绝热锥形倏逝耦合的完全异质集成 III-V 半导体光放大器（SOA）的演示大多限于电信（1550 nm）和数据通信（1310 nm）波长 [41–43]，如前面所述在较短波长下也有一些演示。然而，先前没有展示使用对接耦合 MTP 集成的演示。
通过将两个具有略微不同半径的 MRR 以加-降配置级联，利用游标效应制造一个 FSR 远超单个环的滤波器。为了使级联环具有最大透射率，两个环必须在相同波长处谐振。由于两个环的 FSR 略有不同，与共享谐振波长相邻的谐振不再完全重叠，如图5b所示。游标滤波器的 FSR，FSR_Vernier，然后由各个环（环1和环2）的 FSR 之差决定，如下
本工作设计了两种不同的激光器，主要区别在于游标 FSR：10.3 nm 和 20.6 nm。选择这些值是为了最佳匹配 RSOA 的增益带宽。用于游标激光器的 SiN 是在 imec 为 VISSION 平台开发的 200 mm SiN 平台上制造的，在 800 nm 波长处具有 <0.6 dB/cm 的波导损耗。使用测试结构对 MRR 进行了表征。该表征的结果如图5c所示。使用插图中所示的模型，通过共享成本函数拟合下降和直通响应，其中 r 和 k 是环-总线耦合器透射率和耦合比，a 是微环往返透射系数 [44]。该模型在补充说明4中有更详细的描述。不幸的是，制造的环形谐振器表现出高于预期的传播损耗。这导致大约 40k 的次优加载品质因子，降低了激光噪声性能。此外，这种额外的环损耗还将下降端口耦合效率限制在略高于 50%。由于该损耗在每次腔往返中发生四次（两次通过两个环），这给腔增加了近 12 dB 的损耗，显著限制了激光器的性能。
图5. 游标激光器的说明：a. 包括微加热器的游标激光腔示意图；b. 本工作中使用的两种游标滤波器的模拟透射光谱；c. 微环谐振器的透射测量，插图为用于拟合测量数据的传输矩阵模型说明。
完全加工后的游标激光器如图6a所示，其特点是在蚀刻凹槽中的 1 mm 长 RSOA、形成游标滤波器的两个微环及其微加热器、带有微加热器的相位区，以及反射率为 75% 的萨格纳克环镜。激光器的输出与所有监测端口一起被路由到芯片边缘，并使用倾斜端面边缘耦合器终止，以减少进入激光腔的寄生反射。然后使用透镜光纤提取激光器的光，如图6b所示，使用参考波导测得边缘耦合器损耗为 6.0 dB。本工作表征了两种游标激光器：游标激光器1的游标 FSR 为 10.3 nm，游标激光器2的游标 FSR 为 20.6 nm。游标激光器1的 LIV 曲线如图6c所示，最大输出功率为 0.4 mW。与微齿轮激光器输出功率的显著差异是由于归因于 MRR 的游标腔中的高损耗。尽管有这些损耗，两种激光器都显示出单模激光。它们的频率噪声谱如图6d所示。游标激光器1显示出最佳的 57 kHz 基频线宽，而游标激光器2显示出更高的 401 kHz 基频线宽。这种差异最可能是由于 RSOA 耦合效率的变化，这也是游标激光器2显示较低输出功率的原因。
两种激光器之间的差异在图7a的游标调谐图中最为明显。这里，两个微环加热器的功率在二维网格中扫描。激光波长使用颜色图绘制，其中白色数据点表示在此工作点没有激光。两种激光器都显示出约 9 nm 的相似调谐范围，这主要受限于激光腔中的高损耗。激光图在应该预期有激光的区域显示出空洞。这是由于激光腔长度短，导致 MRR 游标滤波器与激光腔之间产生额外的游标效应。随着环中加热器功率的变化，环谐振发生移动，但由于热串扰也会引起相移。只有当腔的总相位是 2π 的倍数或接近它时，才可能产生激光。通过改变相位区加热器的功率，可以优化这种相移，并填补激光图中的空洞。两种激光器的完整粗调谐范围如图7b所示。如果沿着激光图中的对角线，即两个加热器的功率等量变化，环谐振会同步移动。这可用于微调激光波长。为了达到最大的细调谐范围，腔相位也应相应改变，以始终实现对 RSOA 的谐振反射。为此，发现相位加热器功率变化与环加热器功率变化的最佳比率为
所得细调谐如图7c和d所示。显示了超过 0.3 nm 或 140 GHz 的细调谐范围，受限于腔相位加热器效率。未来可以通过延长相位加热器区以分散加热器中的耗散功率，或通过底切加热器下方的波导来缓解这一问题。在该调谐范围内，可以看到若干跳模，最明显的是从最大功率处。由于在这种跳模期间波长变化极小，激光器在相邻腔模之间跳跃。波长仍然紧密跟踪同步调谐环谐振器，因此这种带有小跳模的扩展范围仍可用于某些光谱应用。可见最大完全无跳模调谐范围（MHFTR）为 45 GHz，可能受限于环和相位加热器之间的串扰以及宽环谐振，但与台式 ECDL 相当。游标激光器的结果清楚地展示了使用直接对接耦合 MTP 激光集成方法创建复杂扩展腔激光器设计的可能性。虽然当前的输出功率和线宽受限于次优的 SiN 腔设计，但该激光器已经适用于光谱应用和锁定到 Rb 原子以提供绝对频率参考，因为线宽比相关 Rb 线的线宽窄得多 [9]。这意味着该激光器可用于探测 Rb 以监测和寻找谐振，以及通过将其锁定到 Rb D1 线来获得绝对频率参考。SiN 腔设计可以在未来迭代中轻松改进，以达到高达 20 nm 的更宽调谐范围，最终受限于 RSOA 的增益带宽。此外，将 MRR 下降端口透射率从 3 dB 优化到 0.5 dB 将使腔内往返损耗降低 10 dB。根据 [30] 中的分析，这将把阈值降低到约 50 mA，并解锁 10 mW 级输出功率。通过将萨格纳克镜反射率从 75% 降低到 50%，输出功率可以增加到 20 mW，代价是基频线宽略高。将环品质因子优化到 100 万，应用与微齿轮激光器相同的肖洛-汤斯缩放，将把固有线宽从 57 kHz 降低到 90 Hz，解锁高精度计时应用。
图6. 游标激光器结果：a. 完全加工后的游标激光器的显微镜照片；b. 游标激光器工作时的相机照片，显示激光器上的光散射和到芯片边缘的路由；c. 加热器功率恒定时游标激光器1的 LIV 曲线；d. 两种游标激光器的频率噪声谱及其基频线宽。
Ⅲ. 讨论
总之，我们展示了一个高度通用、晶圆级兼容的 795 nm 异质集成激光器工具包，专为 Rb 基量子技术量身定制。通过利用 MTP，我们将预制的基于 GaAs 的 RSOA 芯片直接对接耦合到 SiN 波导平台上的凹槽中。这种方法实现了高效的光耦合，同时利用直接到硅衬底的优异散热来实现高功率操作。这从紧凑型微齿轮激光器可以明显看出，该激光器在 9.4% WPE 下表现出超过 22 mW 的高功率和高效单模激光，固有线宽为 3 kHz。该性能在片上输出功率和壁插效率方面超过了该波长下任何先前的异质集成演示，因为多波长法布里-珀罗波导耦合激光功率据报道高达 12 mW，WPE 为 6% [20]，单模激光高达 10 mW，未报告 WPE [22]，如表I所总结。此外，我们展示了使用这种集成方法创建更复杂的基于游标滤波器的可调谐激光器的可能性，实现了 9 nm 的粗调谐范围和超过 140 GHz 的细调谐。尽管输出功率和噪声性能目前受限于 SiN MRR 性能，但即使在其当前迭代中，这些激光器也非常适合光谱应用和直接频率锁定到 Rb D1 线。
图7. 游标激光器调谐表征。a. 游标激光器1和游标激光器2的粗调谐波长图，显示激光波长与两个加热器功率的函数关系。没有激光的工作点着色为白色；b. 游标激光器1和游标激光器2的示例叠加粗调谐光谱。游标激光器1同时扫描环加热器功率的细调谐，显示 c. 峰值功率和 d. 激光波长与供给环1的功率的函数关系。灰色虚线表示激光器在相邻纵腔模之间跳跃。
表I. 780–800 nm Rb 波段异质集成激光器比较。标记为“—”的值在引用的工作中未报告。†通过自注入锁定降至 92.4 Hz。‡片外功率；片上值未报告。WB = 晶圆键合；MTP = 微转印印刷；ECFP = 扩展腔法布里-珀罗。
展望未来，优化 SiN 腔设计为显著提高激光性能提供了清晰的途径。对于微齿轮架构，加入专用的相位区加热器和微齿轮加热器将实现对输出功率和激光波长的精确控制。这将实现更连续的 LI 曲线，具有大得多的无跳模电流工作范围，以及激光波长的细调谐，以允许与窄线宽原子谐振相互作用。制备的微齿轮模式在 793.6 和 796.1 nm 处，位于 Rb D1 线约 1.4 nm 范围内。由于绝对波长是通过光刻设定的，缩小这一差距主要是在后续掩模修订中重新设定光栅周期；具有足够调谐效率的微齿轮加热器随后可以弥合残余制造偏移，并将激光保持在原子谐振上。此外，利用超低损耗 SiN 平台可以解锁高达 200 万的品质因子。这种增强可以将基频线宽大幅降低到 50 Hz 范围，并且通过一些色散控制，实现用于紧凑频率梳的片上孤子生成。对于游标激光器，减少多余的腔内损耗将解锁 10 mW 级的输出功率，而提高环品质因子可以产生亚 kHz 级基频线宽。此外，通过优化反馈腔损耗，调谐范围可以扩展到 20 nm，以充分利用 RSOA 增益带宽。最终，这种集成策略提供了一种高度可扩展的解决方案来替代宏观 ECDL，使具有成本效益的完全集成、可现场部署的光学控制系统用于亚多普勒冷却、高保真度态制备、光谱学和光学原子钟成为可能。
Ⅳ. 材料与方法
A. III-V RSOA 芯片制造
RSOA 芯片在取自 2 英寸 GaAs 晶圆的芯片上制造，其外延层使用金属有机气相外延生长。外延层堆叠在 [30] 中有详细说明。所有 (Al)GaAs 蚀刻均使用基于 BCl₃/H₂ 的等离子体在电感耦合等离子体（ICP）蚀刻机中进行。对于这种蚀刻，使用中性应力 SiN 硬掩模，通过等离子体增强化学气相沉积沉积，并使用紫外光刻和基于 SF₆/CF₄/H₂ 的反应离子刻蚀（RIE）进行图案化。该工艺用于图案化浅蚀刻波导、接触 n 掺杂接触层的通孔以及激光端面。在使用稀 HCl 湿法去除自然氧化层后，所有蚀刻表面使用 SiN 钝化。接触层——p 接触为 Ti/Au，n 接触为 Ni/Ge/Au——在使用稀 HCl 再次去除自然氧化层后，使用电子束蒸发沉积。金属接触使用剥离工艺图案化，并使用 430 °C 的快速热退火进行退火。在钝化后端面上，使用倾斜电子束蒸发和剥离添加位于约 1 nm 厚 Ti 粘附层上的金镜，用作 HR 涂层。激光芯片完成后，使用循环（以防止过热）基于 BCl₃/H₂ 的 ICP 刻蚀和抗蚀剂掩模对 InGaP 释放层进行图案化。随后，在干法等离子体去除衬底自然氧化层后，沉积光刻胶封装并使用紫外光刻图案化以形成系留。最后，使用 1 M HCl 溶液通过去除 InGaP 释放层来选择性地底切激光芯片。随后在交叉流浴中进行大量冲洗，以消除任何会导致局部氧化的 HCl 残留。
B. 使用微转印印刷的激光集成
MTP 工艺在 [30] 中有更详细的描述。GaAs RSOA 芯片集成在 imec SiN 平台上以创建可调谐单模激光器，并集成在内部 EBL 平台上以创建高功率单模微齿轮激光器。在 imec 平台上，用于对接耦合 MTP 集成的凹槽已经包含在硅光子学工艺中。为了创建微齿轮激光器，使用 EBL 和 RIE 刻蚀对热氧化层顶部的预退火 300 nm 厚 SiN 层进行图案化。使用 ICP 化学气相沉积添加 SiO₂ 上包层。随后，使用高度物理的基于 CHF₃/Ar 的刻蚀通过 SiO₂ 和 SiN 层蚀刻凹槽。在 imec 平台上，使用紫外光刻和剥离工艺对 250 nm 厚 Ti 加热器进行图案化。在加热器上添加薄 Au 帽以保护 Ti 免受氧化。为了获得更好的 MTP 良率，在凹槽中图案化 50 nm 厚的光敏 BCB 粘附层。该粘附层的图案化允许去除凹槽边缘处 BCB 的斜坡。MTP 后，整个样品覆盖厚 BCB，并回蚀至激光芯片上方约 1 µm。这使芯片平坦化并填充光路中的任何空隙。最后，在 BCB 中蚀刻通孔，并添加金 RDL，以便于对激光增益和加热器进行电探测。
C. 激光器表征
无源器件（微齿轮和 MRR）使用光栅耦合器和带有光纤马赫-曾德尔干涉仪频率参考的 ECDL（Toptica DL pro）进行表征。激光器在温控卡盘上表征，使用真空固定。不使用子底座或导热膏来辅助散热。微齿轮激光器输出使用光栅耦合器耦合到切割的 HP780 单模光纤中。光栅耦合器的透射光谱使用短参考波导测量。为了确定 LI 曲线，使用（Thorlabs S120C）Si 功率传感器测量光纤耦合光。此外，使用（Anritsu MS9740A）光谱分析仪（OSA）以 0.03 nm 的分辨率以 1 mA 驱动电流的间隔测量光谱。波导耦合功率通过减去以此方式测量的每个驱动电流下激光波长的光栅耦合器损耗来确定。游标激光器的光使用透镜光纤和角度边缘耦合器捕获以减少反射。使用参考波导测量边缘耦合器损耗。游标调谐图使用相同的 OSA 以 0.03 nm 的分辨率提取。较小的频移使用 OSA 光谱的过采样测量。所有激光器的频率噪声使用激光线宽分析仪（OEwaves OE4000 HI-Q）测量。
