上海奥麦达微电子有限公司

专业高效
微纳加工公司

氮化铝镓/氮化铝异质结构:集成光子学的新兴平台

我们介绍了一种用于集成光子学的新型材料,并研究了以氮化铝(AlN)模板上的氮化铝镓(AlGaN)作为开发可重构片上非线性光学器件的平台。AlGaN兼具与标准光子制造技术的兼容性、高电光调制能力以及从深紫外(UVC)到长波红外的宽光谱范围内的低损耗特性,使其成为复杂光子应用的可行材料。在这项工作中,我们设计并生长了AlGaN/AlN异质结构,并集成了多个光子组件。特别是,我们制造了边缘耦合器、低损耗波导、定向耦合器和可调谐高品质因数环形谐振器。这些器件将实现非线性光与物质的相互作用和量子功能。我们在这项工作中展示的综合平台为光子对产生应用、片上量子频率转换以及用于经典和量子光场切换和路由的快速电光调制铺平了道路。

划重点--销售晶圆和加工

SINOI晶圆;--超低损耗氮化硅薄膜晶圆

SICOI晶圆;新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应;铌酸锂的有力的竞争对手,薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

划片和端面抛光,减薄和包层CMP抛光,等离子刻蚀和划片,EBL和6寸 150nmDUV加工微纳结构,激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"

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)),镀膜方式(PVD,cvd,Ald,PLD)和材料(Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5,Ta2O5,ZrO2,TiN,ALN镀膜刻蚀,ZnO,HfO2。al2o3。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,电子束直写等产品及加工服务(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

微信图片_20250119115154


先进的经典和量子光子应用,如光子神经形态计算1、量子传感2和量子网络3-7,依赖于光子集成电路,这些电路能够紧凑、高效和高速地实现各种光学功能。除了从独立光学器件改编而来的功能外,集成电路还提供了模式复用或路由8,9以及高效光纤耦合的途径。因此,一个全面的光子器件平台10集成了各种组件,如低损耗波导、高效定向耦合器、光谱滤波器和可调谐马赫-曾德尔干涉仪(图1)。可调谐环形谐振器是另一种特别通用的组件,可用于对不同模式进行光谱滤波、增强光与物质的相互作用,或实现非线性频率转换和光子对产生11-13。此外,鉴于不同材料平台上现成的电子和光学组件种类繁多,如探测器14,15或量子光源16,17,异构集成是构建具有高度复杂性的光子集成芯片的关键方法。因此,理想的光子平台应便于这些方法的实施,同时表现出低光学损耗、快速电光调制和显著的光学非线性等特性,以有效地路由和操纵传播的光子。目前正在研究不同的材料平台,每个平台都根据其独特的特性被选用于特定的应用。绝缘体上铌酸锂(LNOI)是需要高光学非线性且具有出色电光系数的器件的领先平台之一18-21。氮化硅(SiN)是一种成熟的材料平台,以其低损耗而闻名,特别是在红外范围22。它还与标准的硅制造工艺以及有源和无源材料的异构集成兼容23。SiN在可见光谱中已展示出令人印象深刻的低损耗,在461nm和802nm波长处的损耗范围为0.01dB/cm至0.09dB/cm24。尽管SiN是一种中心对称材料,具有本质上较弱的电光效应,但由于光生伏打效应,它可以表现出二阶非线性(χ(2)=0.2pm/V),其特点是时间动力学较慢25。另一种基于氮化物的材料,蓝宝石上的氮化铝(AlN),由于其较大的非线性系数、宽的透明范围和适中的电光系数,目前正在被探索26-30。在这项工作中,我们介绍了一个与AlN互补的平台,该平台基于氮化铝镓(AlGaN),它提供了独特的性能组合:外延生长的灵活性、在宽波长范围内的透明性,特别是在紫外光谱范围、与其他GaN器件(如激光器和晶体管)的兼容性,以及通过掺杂实现导电性的可能性。AlN和GaN还具有高导热性,这对于高功率应用是理想的。我们在表1中比较了LNOI、SiNx和AlN/AlGaN/GaN光子平台的关键特性。具体而言,我们提出的光子平台由生长在蓝宝石上的AlN上的外延AlGaN层组成,该层作为导光光子层,可被图案化为各种光学组件。这种方法克服了蓝宝石上AlN平台的挑战,例如蓝宝石-AlN界面处的晶体缺陷生长和横向厚度变化,并引入了进一步的材料特定功能。与蓝宝石上的AlN相比,通过添加AlGaN层,我们将光模式从该界面移开,从而降低了光学损耗并提高了器件性能。控制三元合金AlxGa1-xN中铝与镓的比例的能力允许对光子层的特性进行定制,例如带隙和折射率工程。此外,AlGaN的宽带隙能够根据成分实现从低于250nm到长波红外的宽光谱高效光传输。对AlGaN进行导电掺杂结合了光学和电子功能,例如,能够实现电流诱导的折射率变化31,32。

微信图片_20250119115200

图1 | 所提出的用于光子集成电路的AlGaN/AlN平台的概念图示。一个全面的AlGaN/AlN平台由多种无源和有源组件组成。在此,我们重点关注无源和热光控制器件。该材料异质系统的核心创新是光子层,通过设计几百纳米厚的高折射率顶层来引导光。该层将光模式从蓝宝石衬底界面移开,以减少界面损耗。通过横向图案化,我们集成了多种光学元件,包括波导、定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪和作为光谱滤波器的热光可调微环谐振器。光子晶体、电光组件和超导纳米线单光子探测器的集成原则上可以实现,但不在本工作的范围内。此外,AlGaN/AlN平台未来可实现功能性经典和量子组件(如激光二极管和固态量子光源,例如金刚石中的缺陷和有机基质中的荧光分子)的异构集成。

表 1 | 与用于集成光子学应用的铌酸锂(LiNbO₃)、氮化硅(SiNₓ)以及氮化铝 / 氮化铝镓 / 氮化镓(AlN/AlGaN/GaN)相关的特性与技术

LNOISiNₓAlN/AlGaN/GaN
带隙波长329 nm<sup>61</sup>234 - 273 nm<sup>62</sup>199 nm(AlN)至 352 nm(GaN)<sup>63</sup>
χ<sup>(2)</sup>非线性χ<sup>(33)<sub>2</sub></sup> = - 83.4 pm/V(1058 nm 处)<sup>64</sup>χ<sup>(2)</sup> = 0.2 pm/V(光生伏打诱导,1557 nm 处)<sup>25</sup>χ<sup>(33)<sub>2</sub></sup> = - 6.4 pm/V(x = 0.42);3.9 pm/V(x = 0.66)<sup>58</sup>
电光系数r<sub>13</sub> = 9.6 pm/V ;r<sub>22</sub> = 6.8 pm/V ;r<sub>33</sub> = 30.9 pm/V(500 nm 处)<sup>64</sup>因其中心对称性,固有值较小r<sub>13</sub> = 0.49 pm/V ;r<sub>33</sub> = 0.78 pm/V(x = 0.45,633 nm 处)<sup>65</sup>
生长技术智能剥离技术等离子增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或溅射溅射和金属有机气相外延(MOVPE)
特点高非线性和电光系数超低损耗,与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容适度非线性,异质结构生长,与氮化镓(GaN)兼容,可导电,高导热性

我们的AlGaN平台得益于GaN的先进技术水平。在过去十年中,GaN已发展成为电子和电光设备(包括电力电子和光生成设备 33,34)的基础材料。例如,GaN发光二极管和激光器被广泛用于产生蓝光和绿光 35,36。在蓝宝石模板上外延生长GaN/AlGaN/InGaN异质结构是一种成熟的做法,这为在光子平台上集成光源和电子元件提供了可能。AlGaN的固有特性,如其相对较高的电光系数,使其成为快速调制和开发可重构光学器件的理想候选材料。其显著的二阶光学非线性为片上非线性光子器件(包括参量振荡器和和频或差频发生器)的发展铺平了道路。有人提出,利用AlGaN/AlN集成光子平台,通过AlGaN微环谐振器中的自发四波混频(SFWM),在紫外(UV)和可见光谱中产生相关光子对 37。AlGaN也被探索作为受激布里渊散射器件(如跑道型布里渊激光器 38)的潜在平台。据我们所知,仅有极少数研究将AlGaN用作光子材料。Li等人 39 制造了大型多模波导,其核心为AlN/GaN多量子阱,包层为Al₀.₁Ga₀.₉N。尽管这是一项显著成就,但波导尺寸较大且侧壁粗糙度较高,无法应用于单模光子学。此外,波长范围限制在约350 nm及更长。Bruch等人 40 在转移到SiO₂/Si衬底上的Al₀.₁Ga₀.₉N纳米膜上制造了环形谐振器。虽然他们的工作展示了AlGaN的多功能性,但使用纳米膜存在操作上的困难。最近,Shin等人展示了由于量子阱的大内置极化,AlN上的多个AlGaN/AlN量子阱中的泡克尔斯效应得到增强 41。尽管遭遇了相对较高的传播损耗(18.3 dB/cm),但与裸AlN相比,他们的工作使二阶极化率提高了20倍。这项工作表明,AlGaN/AlN有能力作为前沿工程平台,实现比块状材料更高的非线性。

在本研究中,我们专注于制造无源器件,这些器件是图1所示光子平台的基本组成部分,包括波导、定向耦合器和环形谐振器。为实现这一目标,我们在经过高温退火、位错密度降低的蓝宝石衬底氮化铝模板上,直接生长铝镓比 \(x = 0.69\) 的 \(Al_xGa_{1 - x}N\) 材料 42 。最后,我们介绍一种器件的设计方案,该方案利用这种异质结构,通过电信波长下的自发参量下转换(SPDC),实现高效灵活的相位匹配,以产生纠缠光子。

微信图片_20250119115205

图2 | 材料表征 a 高分辨率X射线衍射倒易空间图(11 - 24反射)展示了AlGaN和AlN层中的应变弛豫情况。两个不同的峰分别对应AlN层和AlGaN层。对这些峰的分析表明,Al的摩尔分数\(x = 0.69\),且AlGaN层中面内压缩应变仅有3%的弛豫,这表明在AlN模板上主要为赝形生长,避免了应变释放缺陷的产生。b 蓝宝石衬底上基本异质结构的示意图。c 在632nm波长下,AlN上250nm厚AlGaN层所支持的TE0和TE1模式。d 通过棱镜耦合测量得到的AlGaN / AlN异质结构中这些模式的光学损耗谱,以及蓝宝石薄膜上0.4μm厚AlN单层(AlNoS)的TE0模式的光学损耗谱,阴影区域表示不确定范围。

方法 晶圆生长与表征

我们新型集成光子平台的核心要素是AlGaN异质结构(图2b)。AlN/AlGaN层叠结构在向m面有0.25°偏角的c面取向蓝宝石衬底上进行外延生长。首先,使用外延磁控溅射沉积一层350纳米厚的AlN层。按照Miyake等人描述的工艺 [43],通过高温退火(HTA)降低溅射材料的穿透位错密度(TDD)。在高温退火过程中,1700°C的温度维持相对较短的1小时,以防止在AlN表面形成氮氧化铝 [44]。随后,通过在台阶流生长模式下利用金属有机气相外延(MOVPE)生长50纳米的AlN,使经过溅射和退火的粗糙表面变得平滑。这层总厚度为400纳米的AlN层,根据对称(0002)和斜对称(10 - 12)ω摇摆曲线的高分辨率X射线衍射(HRXRD)测量估计,其TDD为\(7.5×10^8\) \(cm^{-2}\)  [45]。原子力显微镜(AFM)显示,在25 \(μm^2\) 的区域内,表面均方根粗糙度为0.09纳米。接下来,在AlN模板上,于6×2英寸的紧密耦合喷头式反应器中,利用MOVPE生长一层250纳米厚的AlGaN波导层。使用三甲基铝、三乙基镓和氨气作为源材料,氢气作为载气,生长温度为1015°C。原位反射测量验证了达到了250纳米的目标层厚度。从晶圆中心和边缘进行的原位反射测量表明,AlGaN层厚度偏差为2纳米。AlGaN生长完成后,通过AFM测量其表面均方根粗糙度为0.5纳米。这种光滑的表面有利于本文所介绍的光子器件集成,并且能够实现超导纳米线单光子探测器(SNSPD) [14] 和量子器件 [16] 的异质集成。通过11 - 24反射的ω - ω/2Θ倒易空间图(RSM),利用HRXRD确定AlₓGa₁₋ₓN层相对于下方AlN缓冲层的应变弛豫以及Al的摩尔分数x。每张RSM图都显示出两个尖锐的峰(图2a),分别对应AlN模板和AlGaN层。通过分析这些数据,可以确定AlGaN层的Al摩尔分数x为0.69,面内压缩应变仅弛豫3%。这表明AlGaN几乎以赝形方式生长在AlN模板上,因此在很大程度上可以排除为释放应变而产生的失配位错。

光学材料特性

我们采用文献[46, 47]中所述的棱镜耦合技术,对生长后的薄膜光学损耗进行量化分析。该技术利用金红石棱镜将可调谐白色激光器(SuperK Fianium)的光耦合到异质结构中。通过用数码相机监测散射光的衰减情况来量化损耗。我们对400纳米厚的蓝宝石衬底氮化铝(AlNoS)样品和AlGaN/AlN/蓝宝石晶圆进行了表征与比较。AlNoS在630纳米波长处支持单一的TE0模式,而AlGaN结构在相同波长下展现出两种不同模式,即TE0和TE1。通过微调耦合角度,我们分离并分析了这些模式的损耗,结果如图2d所示。在AlGaN结构中,TE0模式的光学损耗随波长增加而降低,在600纳米以上达到最小值2.3分贝/厘米。相比之下,AlGaN的TE1模式和AlNoS的TE0模式损耗更高,最小值分别约为5.9分贝/厘米和4.3分贝/厘米,且在波长超过625纳米时损耗再次上升。值得注意的是,这两种模式都集中在两种不同材料的界面处,因此对界面的固有特性较为敏感。除了界面粗糙度外,额外的损耗来源可能是AlN中的缺陷和色心,正如文献[44, 48, 49]通过透射电子显微镜(TEM)测量所示,这些缺陷和色心可能集中在AlN - 蓝宝石界面处。AlN中的缺陷由杂质、空位和晶格缺陷混合组成。诸如穿透位错等因素会影响这些缺陷的形成,尽管其确切形成条件尚未完全明确[50 - 52]。我们的平台通过将AlGaN用作光子波导层,克服了这些材料方面的难题。

微信图片_20250119115210

图3 制造几何结构 a 用于制造光学纳米波导的外延层和掩模层。b 波导切割面的扫描电子显微镜(SEM)图像,不同材料清晰可辨。c 波导在632纳米和785纳米波长下,基模横电(TE)模式的模拟光功率分布。

器件制造

在波导和环形谐振器的制造过程中,我们首先使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积一层200纳米厚的\(SiO_2\)层作为硬掩模。然后通过电子束蒸发镀上一层10纳米厚的\(Ti\)层,作为电荷耗散层,接着涂覆400纳米厚的\(ZEP520A\)电子束光刻胶。工艺步骤如图\(3a\)所示。在对光刻胶进行图案化之后,我们使用两步反应离子刻蚀(RIE)工艺将图案转移到硬掩模上:我们使用\(SF_6\)等离子体刻蚀\(Ti\),使用\(CF_4\)等离子体刻蚀\(SiO_2\)。在最终刻蚀步骤中,我们使用\(BCl_3:Cl_2:He\)的比例为\(10:50:10\) \(sccm\),在\(600\) \(W\)的电感耦合等离子体(ICP)功率和\(100\) \(W\)的射频(RF)功率下,于\(1\) \(Pa\)的压力下对\(AlGaN\)层进行处理。\(AlGaN\)与\(SiO_2\)的刻蚀速率比约为\(3/1\)。\(AlGaN\)和\(AlN\)的刻蚀速率相似,并且当\(AlN\)也被刻蚀时,我们的器件设计能达到最佳性能。因此,在\(AlGaN\)刻蚀之后,我们继续向\(AlN\)中刻蚀\(70\)纳米深。我们没有使用刻蚀停止层,而是使用原位干涉仪监测刻蚀速率和深度。刻蚀停止层是未来可行的一种方法;然而,它在生长过程中需要额外的材料,因此需要对生长工艺进行额外的优化。我们在芯片边缘实施激光切割槽口,以便于精确切割。图\(3b\)展示了一个切割面的扫描电子显微镜(SEM)图像,显示出\(AlN\)和\(AlGaN\)层。我们测量波导的壁角为\(75°\)。图\(3c\)显示了波导在\(632\)纳米和\(785\)纳米波长下基模横电(TE)模式的模拟光功率分布。在我们环形谐振器所使用的\(785\)纳米测量波长下,\(90\%\)的光功率位于\(AlN\) - 蓝宝石界面上方。在更短的\(632\)纳米波长下,这个数值增加到\(95\%\),表明大部分光功率与蓝宝石界面处的有损边界很好地分离。

光学特性表征

我们制作了半径\(r\)为\(50\)μm、顶部宽度为\(580\)nm的微环谐振器,并将其与两端切割的、具有相同宽度的跑道型单模波导相耦合,如图4a所示。将样品安装在三维压电纳米定位器(德国Physik Instrumente公司的NanoCube)上,并使用定制的倒置显微镜进行表征(见图4b)。其中,使用同一物镜(蔡司,LD EC Epiplan - Neofluar,20倍,数值孔径\(NA = 0.22\))将激光发射到一个波导端面上,并从另一个端面收集光(见图4c)。通过EMCCD相机(Andor公司的iXon Ultra 897)监测入射耦合光的对准情况,并通过调整样品位置和激光入射耦合角度,使出射耦合信号强度最大化,从而优化对准。然后,根据公式\(29\),通过测量微环谐振器的本征品质因数\(Q_0\)来推断环中每单位长度的总传播损耗\(\alpha\):

微信图片_20250119115215

其中\(\lambda_0\)为谐振波长,\(FSR\)为自由光谱范围。为了实现临界耦合,我们制作了几个与跑道型波导耦合的微环谐振器,其耦合间隙在\(100 - 325\)nm范围内变化。我们测量可调谐\(785\)nm激光器(德国Toptica公司的DFB PRO,中心波长为\(784.6\)nm,在\(2\)nm范围内无模式跳变)的透射率,并使用线性薄膜偏振器(美国Thorlabs公司的LPVIS)来选择性地激发和收集横电(TE)或横磁(TM)模式。

微信图片_20250119115220

图4 | 环形谐振器与波导器件表征。波导耦合环形谐振器的光学显微镜图像(a)以及用于其表征的实验装置示意图(b)。样品垂直安装并通过三维平台进行校准,以便输入和输出端口能在同一视场内成像(c)。激光聚焦于输入端口,并扫描其频率。在此过程中,持续监测并记录输出端口周围的感兴趣区域(ROI)。将时间转换为频率步长,并绘制输出端口的平均强度与频率的关系图。d 通过环形谐振器(此例中宽度为580纳米,耦合间隙为100纳米)的典型传输信号随激光失谐的变化。深红色线条表示使用带有二次基线的洛伦兹函数进行的拟合。e 共振频率随温度的调谐情况。

结果 微环谐振器

图4d展示了典型的透射率随激光频率的变化情况,在主要由测量光学系统中的干涉导致的基线之上,可以观察到对应相同共振且以预期自由光谱范围(FSR)间隔开的峰值。这种调制可以用二次基线来描述,由此可以区分共振峰,并使用洛伦兹函数进行拟合,如图4d中红色所示。在耦合间隙为230纳米时,我们观察到TE模式接近临界耦合,透射率为0.07,半高宽(FWHM)为2.4 GHz,而TM模式处于欠耦合状态,透射率为0.21,半高宽为5.5 GHz。采用跑道形结构可以提高TM模式的耦合效率。为了测试TE和TM模式共振频率的温度可调性,将芯片安装在定制的温度控制台上,该控制台能够在20 - 30°C范围内对样品进行加热。图4e绘制了TE模式(耦合间隙 = 100纳米)的一个共振峰在不同温度下的偏移情况。在所研究的温度范围内,共振的中心频率随温度呈线性变化,TE和TM模式的系数分别为5.7 GHz/K和6.2 GHz/K。这些数值与之前在785纳米和300 K下关于AlN(\(2.94×10^{-5} K^{-1}\))和GaN(\(7.01×10^{-5} K^{-1}\)) 的报告相当,并且与AlGaN的热光系数相对应。

表 2 半径为 50μm、耦合间隙为 230nm 的)环形谐振器在 785nm 波长下测量及计算得到的光学和热光参数汇总

微信图片_20250119115225

表2总结了诸如品质因数(Q因子)、传播损耗以及TM和TE模式的热光系数等关键参数。

定向耦合器

定向耦合器是光子集成电路中的关键组件。它们能够实现两个或多个相邻波导之间电磁能量的转移。定向耦合器可以组合形成光开关或马赫 - 曾德尔干涉仪,而这些是大多数片上量子技术应用的基本组成部分 [54, 55]。在我们的研究中,我们研制了与跑道形波导相连的AlGaN定向耦合器,如图5a所示。我们改变了耦合间隙和长度,如图5b所示。通过将632纳米的激光注入其中一个输入端口,我们测量输出强度比:\(\theta = \tan^{-1}(I_1 / I_2)\)。我们的观察结果表明,耦合长度与\(\theta\)之间存在直接的线性关系,通过对数据进行线性拟合可得到耦合常数。对于230纳米和330纳米的耦合间隙,测得的耦合常数分别为\(0.15 \ \mu m^{-1}\) 和\(0.066 \ \mu m^{-1}\)。观测到的不确定性主要源于输入和输出端面上的反射,以及输出波导端面上镜面反射率可能存在的变化。此外,由于器件几何形状、对准误差以及激光光斑与导模之间的不匹配(这些都受光学设置的影响),边缘耦合损耗也会有所变化。为了减轻这些影响并提高测量精度,将光耦合到定向耦合器的一个端口,并测量输出强度比。这种方法确保了该比值与输入耦合效率无关。然而,反射仍会影响测量结果,因为在定向耦合器的第二个输入端可以观测到反射的激光。通过应用抗反射涂层可以将这些反射降至最低。朝着垂直侧壁优化蚀刻工艺有望进一步提升性能。

非线性频率转换与光子对产生的相位匹配

在非线性光子学应用中,实现涉及非线性转换过程的模式之间的相位匹配对于提高效率至关重要。对于集成光子波导而言,一种常见策略是使两种不同模式(通常是基模和高阶模)的有效折射率相匹配 [37, 56]。然而,这些方法存在所涉模式之间重叠较弱的问题。对于简并光子对的二次谐波产生和自发参量下转换(SPDC),模式重叠积分定义为 [57]:

微信图片_20250119115230

其中,\(\chi^{(2)}\) 是二阶非线性极化率张量,\(E_{\omega}\) 和 \(E_{2\omega}\) 分别是频率为 \(\omega\) 和 \(2\omega\) 模式的归一化模式电场振幅。该积分是在模式体积 \(\Omega\) 上进行计算的。对于AlGaN波导中相位匹配的横磁(TM)模式,重叠积分中的主导项为:

微信图片_20250119115235

其中,\(\chi_{33}\) 是 \(\chi^{(2)}\) 中与TM模式下沿晶体主轴相互作用相关的分量,\(E_{1y}\) 和 \(E_{2y}\) 是电场振幅的y分量。\(Al_xGa_{1 - x}N\) 合金在合金含量约为 \(x = 0.65\) 时,二阶非线性系数张量分量(\(\chi_{33}\))会出现符号变化 [58]。我们利用这一特性来增强模式重叠。如图6a - c所示,我们设计了一种异质结构,以实现1550nm处的基模TM模式与775nm处具有相同偏振的高阶模式之间的0型相位匹配。这种策略借助 \(\chi_{33}\) 的符号变化实现了高效的相位匹配,显著增加了泵浦光与SPDC模式之间的重叠积分。我们的方案还允许通过调整泵浦波长对相位匹配进行微调。泵浦光与下转换模式之间的有效折射率差 \(\Delta n_{eff}\) 在约775nm处趋近于零,如图6d所示。在此次模拟中,我们使用有限元求解器(Comsol Multiphysics)计算模式的有效折射率,并使用遗传算法(由Matlab提供)最小化目标函数 \((10^2 \Delta n_{eff} - \Gamma)\)。从下到上,在蓝宝石衬底上400nm厚的AlN层上,优化后的AlGaN层厚度分别为110/70/290/50nm,合金成分分别为0.55/0.42/0.65/0.66。波导顶部宽度为1.98μm,AlN层被过蚀刻至60nm深度。此外,我们定义了一个30nm的共形AlN包层。这种特定的层设计可能会表现出一定程度的应变弛豫,尤其是在Al含量较低的层中。应变和压电极化的变化可能会影响该计算与实验结果的一致性。然而,该方法的整体可行性不受影响。当与环形波导中的单模波导耦合时,AlGaN/AlN异质结构概念使得在宽光谱范围内设计紧凑的SPDC光源和相位匹配的环形谐振器成为可能。

微信图片_20250119115240

图5 定向耦合器 a AlGaN定向耦合器的光学显微镜图像。b 结构示意图,图中给出了相关参数。c 不同耦合长度和间隙尺寸下的输出强度比,可据此确定耦合 。(此处“确定耦合”后内容缺失,原文可能为“确定耦合常数”之类表述)

微信图片_20250119115245

图6 自发参量下转换(SPDC) 用于在1550纳米波长产生纠缠光子对的优化\(Al_xGa_{1 - x}N\)异质结构。a 二阶非线性极化率张量元素\(\chi_{33}\) , b 775纳米处高阶横磁(TM)模式电场的垂直分量, c 1550纳米处的基横磁(TM)模式,以及 d 这两种模式之间的有效折射率差随泵浦激光波长的变化。

讨论我们提出了一种基于垂直AlGaN异质结构的新型材料平台,该平台可用于制造具备开发复杂光子集成芯片所需核心功能的光子器件。通过在蓝宝石衬底上的高温退火(HTA) - AlN模板上外延生长AlGaN,我们缓解了与蓝宝石 - AlN界面处晶体缺陷和位错相关的难题,并实现了低至0.5纳米的均方根表面粗糙度。我们测定的光学损耗,在785纳米波长下,TE0模式为2.5分贝/厘米,TM0模式为7.1分贝/厘米,优于先前在蓝宝石波导上对氮化铝在可见光谱范围内的测量结果。例如,Lu等人发现TE0模式在633纳米处的损耗为5.3分贝/厘米 59。值得注意的是,我们没有使用任何包层,因为包层虽能减少散射损耗,但我们的主要关注点之一是基于金刚石的光子元件的异质集成16,17,对于这种集成,包层会成为倏逝波耦合的物理障碍。基于同样的设计考虑,我们选择了400纳米厚的AlN层,此厚度为最佳。通过延长金属有机气相外延(MOVPE)对AlN的过度生长,这些层的厚度可以达到几(>5)微米。然而,由于我们对AlN / 蓝宝石模板进行了高温退火处理,较厚的AlN层并不能显著降低缺陷密度,特别是穿透位错密度。较厚的层会导致晶圆弯曲加剧,这会使加工更具挑战性。在我们的研究中,可以通过优化层序、生长配方(例如,在AlGaN生长后对晶圆进行退火处理)以及器件制造工艺来降低损耗。通过测量波导的热光系数和各向异性折射率,我们深入了解了与诸如非线性光子对产生和片上非线性转换等应用相关的参数。我们器件的双折射折射率为探索提供了途径,特别是在其用于TE和TM模式的相位匹配方面。此外,外延材料的表面粗糙度足够低,足以集成超导单光子探测器60。我们的工作将AlGaN异质结构引入作为集成光子学的新型平台。它结合了宽带光学透明性、外延生长的灵活性以及适度的光学非线性,对成熟材料起到了补充作用,并在该领域占据了重要的一席之地。

关于我们:

OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务

中国(上海)自由贸易试验区临港新片区业盛路188号450室 电话:+86 188 233 40140 邮箱:jing.chen@omeda-optics.com

来源:OMeda

关于我们

OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。

姓名:*
邮件:*
公司名称:
电话:*
您的需求: