原子和被捕获离子系统是新一代量子定位、导航和计时（PNT）技术的基础。此类量子系统的小型化提供了巨大的技术优势，特别是在系统尺寸、重量和功耗的减少方面。然而，这一进展受限于缺乏适用于这些仪器的波长范围内的紧凑型独立光子集成电路（PIC）。要实现这种光子系统的移动化，必须开发在亚微米波长下完全集成的片上主动组件。我们展示了基于InGaAs量子阱活性区域与五氧化二钽（Ta2O5）无源组件的晶圆级键合的异质光子集成电路，工作波长为980 nm。该高产率工艺提供了超过95%的表面区域产率，并使得在76.2 mm（3英寸）硅晶圆上集成超过1300个主动组件成为可能。我们展示了一系列功能，包括半导体光放大器、法布里-佩罗激光器以及具有43 dB边模抑制比和超过250 GHz单模调谐范围的分布反馈激光器。我们通过在同一平台上制造的微环谐振器中泵浦光学参量振荡过程，测试了片上激光器的精确波长控制和系统级功能，生成了778 nm和752 nm的短波长信号。这些结果为实现用于原子和被捕获离子系统的紧凑量子传感器操作的全功能集成光子引擎提供了途径。

1. 引言

基于光控中性原子和囚禁离子的量子系统是多种新兴技术的关键组成部分。这些技术包括利用囚禁离子量子比特进行量子信息处理[1,2]、光学原子钟[3–5]、用于无GPS导航的冷原子干涉仪[6–8]、磁力仪[9,10]和重力仪[11]。鉴于其广泛的应用基础，人们投入了大量精力，通过微加工小尺寸蒸汽室[12,13]和离子阱[14]以及与光子电路的集成[15–20]，致力于开发尺寸更小的此类系统。尽管取得了这些进展，但量子系统尚未充分发挥其可扩展性和小型化的潜力。部分原因是，在控制此类系统所需的波长（包括可见光和紫外波长）下，片上激光源和异质光子集成电路 (PIC) 的获取有限 [3,4,21–26]。

数据通信和电信行业的需求推动了波长约为 1310 nm 和 1550 nm 的异质光子集成电路 (PIC) 的快速发展 [27–30]。这些平台基于 InAs 量子点 [31] 和 InP 基量子阱 (QW) [32] 增益区与绝缘体上硅光子学的集成。由于增益介质的类型和硅带隙吸收，此类平台不支持亚微米波长。

由于无法在这些较短波长下使用硅光子学，因此需要开发涉及大带隙和低折射率光子材料的平台。最近，基于GaAs基有源器件与氮化硅（Si3N4）的芯片级键合，已演示了短波长异质PIC，其系统功能波长为980 nm [33] 和 780 nm [34]。此外，还探索了与大带隙晶体薄膜铌酸锂（TFLN）的异质集成 [35]。如果能够开发出GaAs-TFLN光耦合结构，实现有源和无源器件之间的全系统集成，这将是一个极具前景的平台。

划重点：

#6寸DUVKRF流片--SIN/铌酸锂晶圆级流片

#利用现有掩膜版提供流片好的SIN晶圆做键合工艺调试

SLT和SLN与其对应的同成分相比电光系数和非线性系数都有比较大的提高，有利于电光器件的制作。对于制作周期极化结构，其畴结构的变化和矫顽场的降低，制作的周期结构更加容易和质量更好。由于SLT折射率差值变得更小，Ppslt更容易在量子光学上得到应用。

*PPSLN/PPSLT

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

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

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

本文提出了一种新型集成光子平台，该平台基于InGaAs-on-GaAs QW有源区和五氧化二钽（Ta2O5，也称为钽）无源区的异质集成。钽是一种超低损耗、大带隙、沉积电介质，其折射率在980 nm处约为2.11。[36]钽具备关键的材料特性和工艺优势，使其成为晶圆级集成有源元件的理想光子平台。它拥有从紫外到中红外的宽透w光窗口，[37]热光系数较小（8.8 × 10−6 1/K），[37]三阶非线性系数较大（6.2 × 10−19 m2 /W）。在工艺方面，钽可在室温下利用离子束溅射沉积，具有低残余应力和±2%的超低厚度不均匀性，只需低于500°C（与氮化硅相比）的低得多的退火温度即可实现低材料吸收率，并且可以使用基于标准氟化学的干法蚀刻工艺进行蚀刻（与TFLN的挑战性干法蚀刻相反）。该III-V族半导体/钽平台可提供980nm亚微米级功能，并配备各种组件，例如半导体光放大器（SOA）、法布里-珀罗（FP）激光器和可调谐单模分布反馈（DFB）激光器。我们进一步展示了单模激光器的实用性，即通过在色散设计的微环谐振器中泵浦基于三阶χ(3)非线性[38]的大跨度简并光参量振荡 (OPO) 过程。

2. 晶圆级制造

异质光子集成电路 (PIC) 由集成在公共基板上的 III-V 族外延层堆栈和无源光子器件组成。为实现此类集成而开发的制造工艺主要基于芯片级集成方法，例如微转移印刷 [39] 和芯片级键合 [33]。在微转移印刷中，有源器件在其原生基板（InP 或 GaAs）上形成，然后使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 印章 [39] 将其释放并转移到硅基光子电路中。该方法简化了工艺流程，能够在原生衬底上制造有源元件，但由于其粗对准精度为±500纳米，因此需要设计容错结构[39,40]。在芯片级键合的情况下，该方法能够共制造无源光子器件和有源元件，而光刻步骤限制了精确对准。该工艺还能够在同一光子晶圆上键合不同设计的III-V族材料。然而，最终器件的良率受限于键合的III-V族芯片数量及其表面积[41]。我们开发了一种基于76.2毫米（3英寸）晶圆级键合的制造工艺，将III-V族半导体层堆栈与含有钽PIC的硅晶圆进行键合。

图 1. 异质钽集成电路 (PIC) 的晶圆级制造。(a) 简化工艺流程，描绘了 III-V 族材料堆叠的晶圆级键合和有源元件的形成。(b) 制备好的 76.2 毫米晶圆在 SiO2 顶层沉积后的相机图像。(c) 聚焦堆叠相机图像，显示了集成 32 个有源元件的全功能芯片。(d) 片上 DFB 激光器的显微镜图像。(e) 扫描电子显微照片 (SEM)，显示了集成在钽波导上的图案化和蚀刻 III-V 族有源区。(f) III-V 族到钽过渡锥形结构的放大图、伪彩色图和 SEM 图。此处的颜色与 (a) 中的配色方案一致。

晶圆级键合工艺能够充分利用整个晶圆，表面积产出率超过95%，从而实现有源和无源元件的密集集成，对准精度小于10纳米（受光刻仪器限制）。我们利用该工艺生产了40多个芯片，其中集成了超过1000个有源元件。图1(a)展示了简化的晶圆级工艺流程。我们采用分子束外延技术生长了与76.2毫米GaAs衬底晶格匹配的AlGaAs/InGaAs有源层。外延层堆叠由两层7.25纳米厚的InGaAs量子阱层组成，两层之间由10纳米厚的GaAs势垒隔开[42,43]（完整的外延层堆叠结构见附录1）。将570 nm厚的钽薄膜离子束溅射到已氧化的硅晶片上，并涂覆800 nm厚的热SiO2，形成PIC的波导层。集成激光器工作所需的波导结构，包括路由波导、芯片耦合器和反馈结构，采用电子束光刻(EBL)和基于CHF3/CF4/Ar等离子体的干法刻蚀工艺形成。然后，将76.2 mm的GaAs外延晶片直接键合到钽晶片上，并采用原子层沉积(ALD)沉积12 nm厚的Al2O3中间层，并进行O2等离子体表面活化。键合后，采用NH4OH/H2O2湿法刻蚀工艺去除GaAs衬底，以暴露外延半导体层堆栈（参见补充材料1图2S，其中显示了钽晶片上的晶圆级键合外延的摄像图像）。

为了形成电泵浦有源元件[图1(e)]，我们首先通过剥离沉积的Ti/Au/Ti(5nm/50nm/5nm)薄膜，在III-V族层堆栈顶部形成与p型Be掺杂GaAs层的接触。接下来，采用电子束光(EBL)图案化激光台面和底部n型接触结构，并用BCl3/Cl2/Ar化学方法进行干法刻蚀。 III-V族元素刻蚀后，沉积10纳米厚的ALD Al2O3，钝化III-V族结构刻蚀后的侧壁，并通过剥离50/100/250/5纳米厚的Pd/Ge/Au/Ti金属叠层，形成与n型Si掺杂半导体的电接触。然后，我们沉积1.4 µm 厚的 SiO2 层作为钽波导的光学顶部包层，并作为二极管的电隔离层。图 1(b) 展示了沉积 SiO2 顶部包层后，经过处理的 76.2 mm 晶圆的摄像照片。激光器的制造是通过蚀刻顶部包层以接触金属，以及通过电子束沉积 1 µm 厚的金探针焊盘来完成的[图 1(c) 和 1(d)]。

实现异质 PIC 的关键部件是耦合结构，它能够促进从 III-V 族材料到无源波导的有效光耦合。要实现从高折射率 III-V 族器件（neff ≈ 3.32）到低折射率钽波导（neff ≈ 1.95）的有效模式转变，需要设计复杂的光子结构。一种可能的设计是基于使用中间材料作为模式转换器[33]。在我们的设计中，耦合结构基于在III-V族有源区两端蚀刻的多级倒锥形[图1(f)]。III-V族的高折射率导致光学模式主要集中在III-V族台面中。我们首先将III-V族脊从主有源区宽度逐渐减小到100nm的尖端[图1(f)中的红色锥形]。这降低了有效模式指数，从而能够实现到底层n接触层的有效光学模式跃迁。然后将 n 型接触层 [图 1(f) 中的橙色区域] 分两级逐渐变细至 100 纳米尖端，以便于光与钽波导的耦合，模拟效率为 86%（多级逐渐变细设计的细节见附录 1）。

3. 集成单模激光器

单模激光器将在为控制和操作紧凑型原子系统设计的集成光子引擎中发挥核心作用[33,34,44]。分布反馈（DFB）激光器由于其简单的腔体设计、高边模抑制比（SMSR）和长期稳定性，是最广泛使用的单模激光器之一。然而，自由运行的DFB激光器通常具有几兆赫的典型线宽，这对于量子科学和技术中的许多应用来说较为宽泛。最近，已经证明，这些激光器的频率噪声可以抑制超过20 dB[45,46]，并在自注入锁定到高品质因子、低模体积微谐振器并且位于低损耗光子集成电路（PIC）中时，超过稳定的光纤激光源[47]。

图 2. DFB 激光器的光学测试。(a) 在钽波导中蚀刻低κ反馈光栅的 DFB 腔示意图。(b) 计算得出的 DFB 光栅强度 κ 与钽蚀刻深度的关系。(c) 测量所得器件在 998 nm 下的激光功率-电流和电压-电流曲线。(d) 计算并测量的激光波长与 DFB 光栅周期的关系，在 1.5 nm 范围内表现出良好的一致性。(e) 测量所得激光器在 975 nm、985 nm 和 998 nm 下的光谱和 SMSR，分别见左图、中图和右图。

我们在III-V/钽（tantala）平台上制造并表征了基于文献[48,49]中腔体设计的DFB激光器。图2(a)展示了DFB腔体的示意图。在活性区域内，我们通过在钽波导的高度上形成DFB光栅（图2(b)插图），利用与钽波导结构的光学功率重叠较小（约0.5%）来实现低的光栅反馈强度。一个四分之一波相移元件被放置在光栅结构的中间，以促进在光栅的布拉格频率下的单一激光模式[50]。图2(b)展示了基于刻蚀深度的反馈强度的计算结果，公式为κ = (1/3)(1n/n¯)，其中3 = (λ0/4)(1/n0 + 1/n1)，1n = |n1 − n0|，n¯ = (n0 + n1)/2 [50]。这里，λ0是反馈波长，n1和n0分别是具有和不具有波纹的光栅段的有效模态指数。我们目标的光栅刻蚀深度为8 nm，相应的反馈强度为κ = 10 cm−1，在1.2 mm长的活性区域中，结果得到的腔体具有κL = 1.2和29%的有效镜面反射率。

我们将激光芯片安装在温控平台上进行光学测试和表征，平台温度范围为6°C至35°C。我们通过扫描二极管的注入电流，同时监测设备上的电压降和激光的输出光功率。为了监测输出功率，我们将一个宽面积光电二极管与芯片的一个光学面对接，并通过12°角的面耦合器收集生成的光。

图2(c)展示了在20°C平台温度下，注入电流与DFB激光器（光栅周期为152 nm）的激光电压（绿色）和光功率（紫色）的测量曲线。测得的阈值电流为48 mA（阈值电流密度为870 A/cm²），最大记录输出功率为2 mW，注入电流为100 mA。我们估算了每个光学面斜率效率为0.05 W A⁻¹（总斜率效率为0.1 W A⁻¹）。通过优化激光腔体设计（即DFB光栅强度和活性区域长度）以及减少钽波导中的光学传播损耗（目前受限于未优化的刻蚀工艺和过多的侧壁散射），这一效率可以提高，达到参考文献[33]中报告的值（0.43 W A⁻¹）。输出功率中的拐点归因于激光腔体中的热相关纵向模式跳跃[51]。激光模式由DFB光栅共振与腔体的一个纵向模式在具有高光谱增益的波长处的光谱对齐决定。随着注入电流的增加，III-V增益光谱的红移速率超过DFB光栅的共振速率。这导致腔体模式与峰值光栅反馈的失谐，输出功率下降，直到下一个纵向模式对齐为止。我们观察到二极管上的电压降大于预期值≈1.3 V，这是由量子阱中的量化能级决定的。这一较高的电压可以通过侧壁复合电流的存在来解释。III-V激光器台阶的刻蚀侧壁包含缺陷，如果没有完全钝化，这些缺陷提供了电流路径，导致载流子的非辐射复合。如补充材料1所述，我们可以通过假设二极管理想因子大于2，使用标准PIN二极管电流-电压模型来模拟漏电流[50,52]。之前已有研究报告表明，这种额外的侧壁复合电流及其通过开发有效的侧壁钝化方法的缓解措施，已在尺寸类似于本工作报告的激光结构的微米级发光二极管中得到报道[53,54]。

为了测量光谱，我们将激光输出耦合到单模980 nm透镜光纤（3 dB ± 1 dB耦合效率），并使用光学光谱分析仪（OSA）记录光谱，分辨率带宽极限为0.05 nm（15.6 GHz）。图2(e)展示了三种DFB激光器的记录光谱和边模抑制比（SMSR），其光栅周期分别为148 nm、150 nm和152 nm，分别位于左侧、中间和右侧面板。活性区域两侧的相位加热元件[图1(d)]使得激光器能够在没有模式跳跃的情况下实现大于250 GHz的注入电流依赖性调谐范围，调谐速率分别为26.5 pm/mA、16.6 pm/mA和24.0 pm/mA（参见补充材料1）。图2(d)展示了DFB激光器的计算和测量的激光波长与反馈光栅周期的关系。我们观察到设计波长与测量波长之间的非常好的一致性，误差在1.5 nm以内。激光波长的计算公式为λ = 2n¯3。为了准确计算n¯，我们使用COMSOL多物理场模型模拟了半导体二极管中的热传导，模拟了在特定注入电流下量子阱器件的温度。然后，我们使用钽材料[36]和III-V材料堆栈[55]的折射率数据，估算了在模拟的器件温度下的n0和n1。

图3. DFB激光器的单模工作和频率噪声特性。(a)激光波长和(b)边模抑制比的二维映射，对于反馈光栅周期为150nm的激光器，随着工作台温度和注入电流的增加而变化。(c)工作在976nm的激光器的频率噪声功率谱密度（反馈光栅周期为148nm，注入电流为76mA）。

为了更好地理解激光器的单模操作，我们绘制了DFB激光器的峰值激光波长和SMSR的二维图，激光器工作在985 nm时，横轴为注入电流，纵轴为平台温度，如图3(a)和3(b)所示。为了识别单模工作区域，我们将平台温度从6°C调整到32°C，每次增加1°C，并确保每个设定点的稳定性，温度容差为±5 m°C。在每个温度设定点，我们从0 mA扫到100 mA，步长为1 mA，并使用OSA记录光谱。图3(a)和3(b)中的白色区域表示激光器在阈值以下的工作区域。随着注入电流和平台温度的增加，图3(a)中可以看到峰值激光波长的红移。在注入电流约为65–75 mA时，激光波长出现纵向模式跳跃，具体取决于平台温度。在低于此电流水平时，DFB激光器表现为多模行为，低SMSR就是证据。模式跳跃后，激光器进入单模区域，在较宽的注入电流范围（70 mA至100 mA）和平台温度范围（6°C至28°C）内，SMSR保持在30 dB以上。

我们使用基于光纤的、经过校准的非平衡Mach–Zehnder干涉仪（MZI）来测量激光频率噪声（FN）的功率谱密度（PSD）。该MZI的自由光谱范围为800 MHz，并作为光学频率鉴别器。图3(c)展示了在注入电流为76 mA时，工作波长为976 nm、具有43 dB边模抑制比（SMSR）的DFB激光器的测量FN PSD。在小于1 MHz的傅里叶频率偏移处，FN PSD的变化与频率成反比，这符合DFB激光器的预期。FN PSD在4 × 10⁵ Hz²/Hz的白噪声水平处趋于平稳，表明激光的基本线宽为1.2 MHz，受腔体长度的限制[56]。

我们基于两种方法计算激光的综合线宽，即1/π方法[57]和β分离线方法[58]。在1/π方法中，综合线宽定义为傅里叶频率偏移，在该频率下，累积的相位噪声（即FN PSD曲线下的面积）达到1/π rad²。对于图3(c)中的数据，我们从测量的最高频率偏移（150 MHz）开始计算累积相位噪声，结果得到的综合线宽为2.0 MHz。当应用于理想的具有白噪声的激光源时，1/π方法得出的结果为洛伦兹线形的半高宽[59]。β线方法为具有额外频率噪声的激光源（除了白噪声）提供了更好的综合线宽估计，因为它还考虑了技术噪声和闪烁噪声。在这种方法中，频率噪声谱被分为两个区域，通过β分离线Sδν = 8 ln(2) f /π²（图3(c)中的虚线）将其分开。这里，Sδν是FN PSD，f是傅里叶频率偏移。在Sδν < β-line的FN PSD区域，噪声频率过快，其调制指数过慢，不足以显著加宽激光线宽。相反，在Sδν > β-line的区域[图3(c)中绿色高亮部分]，噪声水平相对于傅里叶频率较高，它会导致激光线形的高斯加宽。在此方法中，综合激光线宽通过FN PSD曲线在高调制指数区域下的面积计算得出。我们使用β分离线方法计算得出的综合线宽为9.4 MHz。

4. 系统级操作与展望

图4. (a) 制备的异质钽PIC的三维渲染图，该PIC支持多功能晶圆级有源元件与低损耗无源PIC的集成。(b-e) 在该平台上演示了有源和无源功能。从左到右：(b) 基于分布式反馈腔的单模激光器，(c) 超低损耗无源钽波导和高品质因数微环谐振器，(d) 在钽波导中蚀刻集成环形镜的法布里-珀罗(FP)激光器，以及(e) 在987.4 nm波长下具有24.5 dB小信号增益的钽集成SOA。

图4(a)展示了异质III-V/钽光子集成电路（PIC）的三维示意图，突出展示了具有不同功能的无源和有源组件的多功能集成。除了单模激光器[图4(b)]，我们还展示了各种光子组件。沉积的钽层以及SiO₂顶部包层中的低光学损耗使得能够制造高品质因子（高Q值）微环谐振器[37]。这些谐振器对于需要高性能腔体的应用至关重要，例如窄带滤波器和高效的非线性光学过程。图4(c)展示了一个高Q微环，其固有品质因子为2.5 × 10⁶，在1064 nm波长下，环宽为2.0 µm。图4(d)展示了一个1.5 mm长的FP激光器，其阈值电流为45 mA（430 A/cm²阈值电流密度），并且波导耦合的输出功率大于2 mW。半导体光放大器（SOA）是光子系统的一个组成部分。图4(e)展示了一个2 mm长的集成SOA在注入电流为105 mA时的片上增益光谱。这些器件通常用于需要高光功率的应用中，以实现系统功能，例如在微环谐振器中进行频率梳生成和波长转换的非线性光学交互。在此，散点数据是通过调谐激光器耦合到SOA的TE₀模式并使用片上输入功率为25 µW的光谱分析仪（OSA）测量的。黑色曲线表示使用G(λ) = Gp exp[−A(λ − λp)²]拟合数据，其中Gp是片上增益峰值，λp是增益峰值波长，A与3 dB增益带宽有关，1λ = 2p ln 2 / A [60]。

我们计算了增益峰值、波长和3 dB带宽，分别为24.5 dB、987.4 nm和8.5 nm。我们还从Gp因子计算了增益峰值模态增益gnet(λp)，其值为28.2 cm⁻¹，使用公式Gp = exp[gnet(λp)L] [60]。报告的增益峰值比以前在异质Si₃N₄ PIC中测得的最先进值[33]提高了约2.5 dB。SOA中增益区域的设计与激光器器件相同（即III-V脊宽度为5 µm）。然而，通过锥形化III-V台阶的宽度，可以设计出锥形放大器。光学模式在两个量子阱中的约束因子由钽和III-V结构之间的有效折射率对比度决定。可以从这一点受益，以便为大范围的III-V宽度实现高约束，并设计锥形放大器。然而，这类器件的高效操作将受到其产生大量热量的限制。目前，异质PIC依赖于通过背面硅基板散热，但这对于高功率器件的运行来说是不足够的。作为替代，应该考虑将PIC芯片翻转键合到AlN子基板上的方法，以实现有效的热传导和高功率操作。

量子集成光子系统的崭新发展要求在可见光谱范围内，甚至扩展到紫外波长范围内运行的片上激光器。通过非线性光学相互作用，如光学参量振荡（OPO）[38,61–63]和二次谐波生成（SHG）[64]，对常见泵浦激光器的波长转换被证明是实现短波长、难以获取波长的片上生成的一条可行路径，特别是在“绿色空隙”[61,65]和蓝色区域[64]内。我们通过泵浦在单独的钽光子集成电路（PIC）上制造的微环谐振器中的OPO过程，测试了集成DFB激光器在这些非线性光学相互作用中的实用性。

图5(a)展示了OPO泵浦的实验设置。我们将激光输出（工作在976 nm，图2(e)，左面板）耦合到一个980 nm的单模光纤中。然后，我们使用光纤耦合的光学放大器将激光光强放大至超过100 mW，以达到OPO过程的阈值。放大的光被边缘耦合到一个单独的钽光子集成电路上，并通过6 dB耦合损耗的透镜光纤与微环谐振器连接。对于OPO泵浦，我们通过调节电流和温度将激光波长调至与微环谐振器的TE₀光模式共振，并使用光谱分析仪（OSA）监测输出光谱[图5(b)]。不同宽度的微环提供了相位匹配条件，从而在不同的波长生成信号光和闲置光。图5(c)将不同光环宽度下测量的信号和闲置光波长（散点数据）与理论设计（虚线）进行比较。我们通过遵循[38,61]中为谐振器波导的几何群速度色散（GVD）工程设计的方法，设计了微环谐振器中的OPO过程。通过调整波导厚度、宽度和谐振器半径，可以控制谐振器的GVD。这使得通过几何调谐泵浦、信号和闲置波的有效模态指数来控制OPO的相位匹配条件。

为了强调平台兼容性，并支持未来激光器和OPO谐振器的异质集成，我们在钽层中设计了与激光集成所用相同厚度（570 nm）的微环几何结构。进一步选择的谐振器半径为45 µm，谐振器波导宽度范围为930–970 nm，这些选择有助于在976 nm泵浦波长下实现正常的GVD值，这对于实现宽跨度的OPO过程[61]是必需的。增加微环宽度会导致生成更宽跨度的OPO光谱，并能够生成短波长的信号。如图5(b)中的橙色和红色曲线所示，我们在宽度分别为959 nm和966 nm的微环输出端记录了生成的信号波长为778 nm和750 nm。生成的778 nm信号适用于与基于Rb-87原子蒸汽池的双光子吸收的便携式原子钟集成[66]。

图 5. 集成 DFB 激光器泵浦的 OPO。(a) DFB 激光器输出耦合到单模光纤中，放大至 100 mW 级，然后耦合到第二个带有高品质因数（高 Q 值）环的钽芯片。光纤耦合光隔离器用于防止背向反射进入激光腔。高 Q 值谐振器的输出光谱由 OSA 监测。(b) 测量不同环宽微环谐振器的 OPO 输出光谱。

(c) 对于 976 nm 的 DFB 泵浦波长，产生的信号光和闲频光颜色的模拟波长（虚线）和测量波长（散点）随微环宽度的变化。数据点的颜色与 (b) 部分中对应的 OSA 光谱一致。

图5(a)中的OPO泵浦设置包括两个隔离器，以防止反射回到集成DFB激光器腔体中。异质光子集成电路面临着缺乏可靠的片上隔离器的问题，尤其是缺乏具有高隔离比（>30 dB）的光功率独立型隔离器。作为替代，在集成激光器+OPO系统中[如图4(a)所示，顶部设备]，来自微环的反射可以通过自注入锁定来实现泵浦激光器的线宽压缩[67]。这可以通过在连接激光输出和微谐振器的总线波导上利用一个相位加热元件来实现。这样的加热元件可以用来调节反射波的相位，从而实现自注入锁定[46]，并实现无隔离器的光子电路[68]。

5. 结论

超低材料损耗和先进的制造工艺已使钽成为多种片上线性和非线性光子应用的主要材料平台，包括介电超表面光子学[69]、频率梳生成[37,70]、超连续谱生成[37,71]和宽跨度OPO[62,63]。在这里，我们通过与InGaAs-on-GaAs量子阱增益材料的异质集成，介绍了钽光子集成电路中的有源功能。这里介绍的集成方法使得在76.2 mm晶圆上具有>95%表面区域产率的无源和有源组件的高产率晶圆级共制造成为可能。

III-V增益部分与无源波导和外部腔体的集成使得实现FP激光器、增益大于21 dB的SOA，以及在980 nm波长带上操作的DFB激光器成为可能，具有43 dB的边模抑制比和超过60 GHz纵向模间距的单模调谐范围。我们利用我们的DFB激光器作为χ(3)微环谐振器基础的泵浦源，展示了片上有源组件的系统级功能和实用性。这些谐振器是在与激光集成相同的570 nm厚的钽平台上设计和制造的，以展示未来泵浦激光二极管与微环谐振器一体化为单片OPO的潜力。我们生成的最宽信号与闲置光频率跨度为183 THz，生成的最短波长信号为752 nm，由可用的谐振器几何结构限制。

本研究中展示的异质集成对GaAs基量子阱层堆栈的设计无依赖性。我们可以利用这种灵活性，实现光子集成电路，其中的有源组件可在700–980 nm波长范围内操作。在这样的平台上，泵浦激光器将与设计用于不同非线性光学交互的各种无源组件集成，例如频率梳生成和非线性波长转换到更短、难以获取的波长。可以设计全功能的光子系统，支持生成、路由和操控多个波长，以便为基于特定原子蒸汽池或被捕获离子的量子系统的操作提供支持。这些集成量子技术具有通过可扩展的小型化重塑多种高影响行业的潜力。因此，这些系统的部署可以通过提供强大的、便携式的、可能不依赖GPS的定位、导航和计时（PNT）系统，标志着范式的转变。