摘要：光子集成外部激光腔体是激光频率稳定和线宽缩窄应用中的变革性组件。当前光子集成面临的关键挑战是实现低损耗波导，同时平衡腔体的热光响应。钽五氧化物（Ta2O5）由于其低热光系数（TOC）和低材料损耗，已成为一个有前景的光子平台。将Ta2O5/SiO2波导集成到光子电路中，需要在波导损耗、器件占地面积、热折射噪声、光学输入/输出效率和其他所需功能之间做出权衡。在这项工作中，我们提出了一个Ta2O5光子平台，重点关注低传播损耗和低热光灵敏度。我们证明了这些谐振腔的内在Q因子超过106，对应于1550 nm下的0.27 dB/cm传播损耗，采用我们的CMOS兼容制造技术。Ta2O5谐振腔的温度依赖波长偏移（TDWS）仅为9 pm/K。预测Ta2O5微谐振腔的热折射频率噪声是Si3N4谐振腔的一半。我们展示了集成外部激光腔体的几个关键构建块，包括高Q谐振腔、自耦合微谐振腔、维尼耶环谐振腔、萨尼亚克环形镜、边缘耦合器和Y型分光器，这些构成了Ta2O5平台上的一整套平面光波组件。我们已展示了一种窄线宽的混合集成激光器，利用分布反馈（DFB）激光二极管自注入锁定到Ta2O5微谐振腔。获得了1.6 kHz的基础线宽。Ta2O5波导的独特光学特性可能对高容量、耐温和多功能光子集成电路产生更广泛的影响，这对于下一代光子计算系统、量子光子电路等具有重要意义。

关键词：钽五氧化物，低损耗波导，外部腔体，热光系数

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引言
光子集成电路（PICs）是突破性的解决方案，与电子电路的革命性影响相似，但具有更优越的可扩展性、多路复用、更低的延迟和更高的能效。它们的集成兼容性、微米尺度的紧凑性和大规模制造能力，在多功能性、可靠性和成本效益方面提供了前所未有的优势。许多光子平台已经被研究，用于将光电功能从自由空间和实验室设备转移到芯片级和节能的光子集成电路。不同应用对这些光子平台的性能要求差异很大。例如，集成窄线宽激光器在频率参考和线宽缩窄方面高度依赖于光学反馈腔体，这对腔体的质量因子（Q）和热力学稳定性提出了巨大的要求。光子集成外部腔体可以显著抑制激光二极管的线宽，因此被广泛研究。然而，过去的研究主要集中在提高外部腔体的Q因子上，对腔体的热力学稳定性关注较少。实际上，频率锁定激光器的热力学频率噪声和温度引起的频率漂移主要由光学反馈腔体的热折射响应决定。因此，最好在保持外部腔体高Q因子的同时抑制热折射噪声。

已有多种材料被探索用于开发芯片内外部腔体以用于窄线宽激光器，包括氮化硅（Si3N4）、铌酸锂（LiNbO3）、二氧化硅（SiO2）、硅（Si）等。其中，钽五氧化物（Ta2O5）作为一个有前景的平台脱颖而出。Ta2O5的热光系数（TOC）为2.3 × 10−6/K，低于Si3N4（2.45 × 10−5/K）和SiO2（8.74 × 10−6/K），这使得Ta2O5腔体对温度波动的敏感度较低。同时，Ta2O5在宽广的光谱范围（300−8000 nm）内是低损耗的材料。据报道，Ta2O5波导的传播损耗为低约束波导的3 dB/m，高约束波导的8 dB/m，在通信波长下为0.86 dB/cm。如此低损耗的操作保证了自注入锁定激光器的强线宽压缩，因为线宽缩小因子与外部腔体Q因子的平方成正比。此外，低损耗Ta2O5波导无需高温退火工艺，从而能够在后端工艺（BEOL）中与光电器件集成。除了低热折射灵敏度和低传播损耗，Ta2O5的非线性折射率为7.23 × 10−19 m2/W，约为Si3N4的3倍。Ta2O5的低拉伸应力确保了无裂纹薄膜沉积，有利于高约束和反常色散波导。这些优点使得Ta2O5具有在单一光子平台上结合频率稳定性和光学非线性的潜力。

由于其出色的线性和非线性光学特性，Ta2O5波导已被应用于非线性光子学、量子光子电路、离子掺杂波导激光器、无热谐振器等。然而，Ta2O5在需要同时具备低热力学波动和低传播损耗的应用中（即外部激光腔体）尚未受到足够的关注，部分原因是缺乏丰富的组件库。在这项工作中，我们为Ta2O5光子组件库贡献了低损耗且制造鲁棒的无源光学滤波器。我们采用CMOS兼容的低损耗制造工艺制造了高Q谐振腔、自耦合微谐振腔、维尼耶环谐振腔、萨尼亚克环形镜、边缘耦合器和Y型分光器等组件。首先，我们报告了所制造的谐振腔的内在Q因子超过106，对应于1550 nm下的0.27 dB/cm传播损耗。接着，我们表征了Ta2O5谐振腔的热光响应。谐振腔表现出温度依赖波长偏移（TDWS）为9 pm/K，低于同几何结构的硅（约68 pm/K）谐振腔或Si3N4（约12 pm/K）谐振腔。我们模拟得到，Ta2O5谐振腔的热折射频率噪声仅为Si3N4谐振腔的二分之一，二者具有相同的模体积。此外，我们展示了光学滤波器的传输光谱可以通过几何设计灵活修改，并列举了两个例子：共振分裂环谐振腔和维尼耶环谐振腔。前者具有增强的背向反射，使其在自注入锁定激光器中有用。作为概念验证，我们使用自耦合微谐振腔作为分布反馈（DFB）激光二极管的外部腔体，通过自注入锁定实现了基础线宽从27.6 kHz降低到1.6 kHz。此外，我们还研究了该平台的光学输入/输出效率。通过边缘耦合器实现了高效的光纤到芯片边缘耦合，耦合系数为−2.1 dB/面。芯片内功率分配器如环形镜和Y型分光器也在本文中进行了介绍。所有组件都针对通信C波段进行了优化，但也可以转换到其他波长，即可见光和紫外区域。我们的工作为在Ta2O5平台上实施全套平面光波电路铺平了道路，重点关注传播损耗和热折射稳定性。结合其突出的非线性响应，Ta2O5集成光子平台为窄线宽集成激光器、芯片内模式锁激光器、频率稳定梳状源等应用提供了有前景的前景。

方法

图1. (a) Ta2O5波导横截面的示意图。 (b) 波导中TE基模的归一化电场分布。 (c) 不同宽度波导的模拟有效模态折射率。 (d) 不同弯曲半径下TE基模的模拟弯曲损耗。 (e) 制造的方向耦合器横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。插图突出显示了波导的形状，其侧壁角度约为70°。

波导侧壁的散射是波导传播损耗的主要原因之一；因此，具有较大长宽比（宽度/厚度 ≫ 1）的波导有助于降低传播损耗。28 如图1a所示，当波导宽度（Wwg）为几微米时，波导厚度选择为90 nm，以在传播损耗和临界弯曲半径之间进行权衡。上覆层和下覆层的厚度为5 μm。当波导宽度小于2.5 μm时（如图1c所示），波导在1550 nm波长下以单一横向电场（TE）模式工作。Ta2O5和SiO2薄膜的折射率分别为2.058和1.446，通过椭圆偏振测量得到。黑色虚线表示SiO2的折射率。这种结构已被证明能够有效减少波导侧壁的散射损耗。13,29 然而，弱导模式容易受到弯曲损耗的影响。模拟结果显示，对于2800 nm × 90 nm横截面的波导，临界弯曲半径大约为400 μm，这由图1d中的转折点推导得出。需要指出的是，较厚的核心可以实现较小的弯曲半径，有利于密集集成。3 尽管光子组件在缩小占地面积方面可能面临挑战，但它们较大的模式体积有助于抑制热力学噪声。30

波导采用光刻胶回流工艺制造，以便在常规光刻工具中实现低于1 μm的线宽分辨率。制造细节可以在支持信息的S1节以及我们之前的工作中找到。15 图1e显示了制造的方向耦合器横截面的扫描电子显微镜（SEM）图像。插图突出了同一片上的另一个波导的高分辨率横截面。由于光刻胶回流工艺，波导侧壁的角度约为70°。

结果
3.1. 质量因子测量。

图2. (a) 一个谐振腔的艺术视图（左），其几何参数在右侧的俯视图中标出。R是环半径，Wr是环宽，Wwg是总线宽，gc是耦合间隙，κc是耦合系数。插图显示了制造的耦合器区域的显微镜图像。比例尺为10 μm。 (b) 一个全通环谐振腔的传输光谱，R = 500 μm，Wr = Wwg = 2.8 μm，gc = 1.25 μm。 (c) 对图(b)中圈出的共振进行洛伦兹拟合，得到加载Q因子为4.1 × 10^5，内在Q因子为5.2 × 10^5。 (d) 在1550 nm附近，几个微环谐振腔的内在Q因子以直方图形式呈现。 (e) 测量的传播损耗与环半径的关系图，表明临界弯曲半径小于500 μm。

通过测量微谐振腔的Q因子来表征Ta2O5光子平台的传播损耗。我们设计并制造了一系列微环谐振腔，环半径（R）范围从200到2000μm，环宽（Wr）和总线宽（Wwg）为2.8μm，耦合间隙（gc）为1.25μm。这些几何参数在图2a中标出，便于理解。图2b展示了一个半径为500μm的全通微环谐振腔的传输光谱。测量设置和程序的详细信息见支持信息中的第S2节。在1550nm下，自由光谱范围（FSR）为0.48nm，对应的群体折射率（ng）为1.594。提取的ng与TE基模的模拟ng相匹配。受到先前低损耗TM模研究的启发，31,32我们理想地设计了支持TM基模的波导。然而，在实验中我们未能观察到TM共振。实验细节和可能的原因在支持信息中的第S3节讨论。我们推测TM模受到弱模约束和由于上覆层导致的较高传播损耗的限制。图2c显示了放大的共振线形，并用洛伦兹曲线进行了拟合。共振的半高宽度（FWHM）为3.78pm，对应的加载Q因子（Ql）为λres/Δλ = 4.1 × 10^5。然后推导出传播损耗和内在Q因子（Qi）分别为0.56 dB/cm和5.2 × 10^5。从相同批次的多个器件的1550nm附近的共振分析了内在Q因子。内在Q因子的直方图如图2d所示，其中均值和中位数分别为4.7 × 10^5和4.9 × 10^5。我们还通过实验定量分析了弯曲效应对波导传播损耗的影响。图2e绘制了Qi与弯曲半径的关系，显示当环半径小于500μm时，传播损耗急剧增加。这一观察结果与我们的模拟结果和之前的报告15一致，表明临界弯曲半径小于500μm。

图3. (a) 一个WGM谐振腔的传输光谱，R = 1000 μm，Wr = 50 μm，gc = 1.25 μm。测量的FSR与模拟结果进行比较，以识别模式阶数。 (b) 对图(a)中圈出的共振进行洛伦兹拟合，得到加载Q因子为1.07 × 10^6，内在Q因子为1.09 × 10^6。 (c) TE模式的归一化电场分布。比例尺为10 μm。

为了研究模态分布对传播损耗的影响，我们制造了半径为1000μm、耦合间隙为1.25μm、环宽为50μm的低损耗共振器，如图3a所示。通过将测量的FSR与模拟值进行关联，我们识别出了高阶模态。我们发现所有观察到的共振均属于TE极化。对于图3b中的TE00模式，洛伦兹拟合得出的加载Q因子高达1.07 × 10^6，内在Q因子达到1.09 × 10^6，对应的传播损耗为0.27 dB/cm。对于更宽的波导，模态趋向于更多地分布在内部，这可能减少光场与侧壁之间的相互作用，从而最小化由侧壁粗糙度引起的散射损耗。33这一推测通过热双稳态测量中的传播损耗分解得到证实（见支持信息中的第S4节）。WGM传播损耗主要由吸收损耗主导，这一发现与我们之前的结论一致（参考文献15中的图5e）。材料吸收引起的传播损耗在参考文献15中估计为约30 dB/m，现在通过本研究中的WGM谐振器得到了验证。我们还观察到，TE00模式的损耗略低于高阶模式的损耗。这可能是因为基模TE模式在Ta2O5核心内具有稍高的功率约束，而在包层中的功率分布较低，如图3c所示。考虑到高阶TE模式具有更高的传播损耗，可以得出结论，SiO2包层中的材料吸收是传播损耗的主要瓶颈。34值得注意的是，通过减小弯曲半径，可以抑制高阶模态。我们通过实验在200μm的半径下实现了单模操作，且未对谐振腔的内在Q因子造成严重损伤。

3.2. 热折射响应。

图4. (a) 一个R = 500 μm和Wr = 2.8 μm的环形谐振腔的温度依赖传输光谱。 (b) 测量的共振波长与芯片温度的关系。 (c) 不同核心材料但相同几何结构的多个波导的热折射噪声的有限元法（FEM）模拟结果与理论计算结果的比较。 (d) 不同腔长的Ta2O5微谐振腔的热折射噪声的比较。

微谐振腔的频率稳定性受限于热波动，尤其在小模体积的光学谐振腔中尤为明显，这对要求高频率稳定性的应用构成了根本性的限制。我们通过跟踪环形谐振腔在不同温度下的共振来表征波导的温度灵敏度（图4a），提取出9.0 pm/K的温度依赖波长偏移（TDWS）（图4b）。根据方程15，TDWS可以归因于热膨胀效应（ThE）和热折射效应（ThR）。

其中，neff是有效的热光系数（TOCeff）。方程1右侧的第一项是线性热折射系数，= neff / dT；右侧的第二项是线性热膨胀系数，= dR / dT。为了量化热折射效应的影响，我们建立了一个有限元法（FEM）模型，涉及光学、热学和力学物理。模拟中使用的参数来源于我们的测量结果以及文献中报告的数值。实验测量值和模拟结果在图4b中进行了比较，结果显示，在热膨胀和热折射效应共同作用的情况下，实验结果与模拟结果具有良好的相关性。在模拟模型中，Ta2O5材料的TOC被调整为2.25 × 10−6/K，以匹配测量结果，该值与文献中报告的数值高度吻合。根据图1b中的模式分布，模拟得到2.8μm宽波导的TOCeff为8.6 × 10−6/K。如此小的TOCeff将有利于需要热折射稳定性的光学微谐振腔。

微谐振腔中的热折射噪声（TRN）是由温度波动引起的，这些波动影响有效模式折射率，从而导致共振频率偏移。TRN的光谱密度Sδf与线性热折射系数αn的平方成正比。

其中，neff是有效的热光系数（TOCeff）。方程1右侧的第一项是线性热折射系数，= neff / dT；右侧的第二项是线性热膨胀系数，= dR / dT。为了量化热折射效应的影响，我们建立了一个有限元法（FEM）模型，涉及光学、热学和力学物理。模拟中使用的参数来源于我们的测量结果以及文献中报告的数值。实验测量值和模拟结果在图4b中进行了比较，结果显示，在热膨胀和热折射效应共同作用的情况下，实验结果与模拟结果具有良好的相关性。在模拟模型中，Ta2O5材料的TOC被调整为2.25 × 10−6/K，以匹配测量结果，该值与文献中报告的数值高度吻合。根据图1b中的模式分布，模拟得到2.8μm宽波导的TOCeff为8.6 × 10−6/K。如此小的TOCeff将有利于需要热折射稳定性的光学微谐振腔。

微谐振腔中的热折射噪声（TRN）是由温度波动引起的，这些波动影响有效模式折射率，从而导致共振频率偏移。TRN的光谱密度Sδf与线性热折射系数αn的平方成正比。

其中，f 是共振频率，SδT 是腔内温度波动的光谱密度。基于无限热源假设的 SδT 表达式最初是为 WGM 谐振腔提出的，36 后来被证明对于波导谐振腔也有效。37 其表达式如下：

其中，κth 是热导率，ρ 是材料密度，C 是比热，Ω 是激光频率的偏移频率，R 是谐振腔的半径，dr 和 dz 是模式强度分布的半宽度，带有轨道数 l、方位数 m 和子午模数 p = l − m。用于分析计算的参数可以在支持信息表 S1 中找到。我们还基于涨落—耗散定理38在有限元法（FEM）求解器中构建了一个数值模型36,37。分析解和数值模拟在图4c、d中合理匹配。

图4c中比较了几种常见光子平台的TRN光谱密度，包括LiNbO3、AlN、Si3N4，并与Ta2O5波导的TRN进行比较。为了公平比较，波导的尺寸相同。由于其小的TOCeff，Ta2O5腔体的TRN仅为LiNbO3腔体的0.24倍，为AlN腔体的0.41倍，为Si3N4腔体的0.5倍，假设相同的模式体积，这表明Ta2O5腔体在频率稳定性应用中的潜在优势30。图4d显示了不同腔长的Ta2O5波导的TRN。显然，随着腔长的增加，TRN光谱密度减小，因为TRN与腔长成反比。

3.3. 自耦合微谐振腔。

图5. (a) 左侧为自耦合谐振器的艺术视图，右侧标出其几何参数。左侧插图显示了制造的方向耦合器区域的显微镜图像。比例尺 = 10 μm。 (b) 分裂模式的示意图，这些模式被分解为对称模式 |S⟩ 和非对称模式 |AS⟩。两个混合模式的能级显示在中间，类似于原子和分子。光学滤波器中的紧密间隔共振对光信号处理非常有用。虽然通过具有小自由光谱范围（FSR）的谐振腔可以实现窄共振间隔，但这些腔体需要较长的长度，因此占据较大的芯片区域。为了解决这个问题，我们提出了具有可控共振分裂的自耦合微谐振腔（Sc-MR）（图5a）。这种分裂称为Autler−Townes分裂（ATS）39，是由于两个具有相似Q因子的模式之间的强耦合引起的。如图5b所示，谐振腔之间的耦合导致两个超级模式，即对称模式 |S⟩ 和非对称模式 |AS⟩，以及能级的分裂。尽管在所呈现的耦合系统中只有一个物理谐振腔，但通过沙漏形谐振腔中的自耦合区域引入了另一个虚拟谐振腔。当自耦合系数κ2变得不可忽视时，一个反向传播模式开始在谐振腔内循环，就像有两个相同的谐振腔耦合在一起并且没有频率偏移。

图6. (a) 耦合系数κ2与耦合器间隙g2（从1.25到3.5 μm变化）的关系。耦合长度Lsc固定为0。 (b) 不同耦合强度κ2的测量和中心对齐的传输光谱。 (c) 耦合系数κ2与耦合器长度Lsc（从0到198.6 μm变化）的关系。耦合间隙g2固定为1.25 μm。 (d) κ2 = 0.154时的传输光谱。 (e) (d)中的共振通过双洛伦兹曲线拟合，得到QlAS = 3.1 × 10^5，QiAS = 4.0 × 10^5，QlS = 3.2 × 10^5，QiS = 4.2 × 10^5。

在我们的设计中，总线环间隙（g1）固定为1.25μm，对应的耦合系数κ1 = 0.036。自耦合区域通过一个方向耦合器实现，耦合间隙为g2，长度为Lsc。通过调整g2（图6a）和Lsc（图6c），可以改变自耦合系数κ2。图6b展示了κ2对共振分裂的影响。为了便于比较，每个测量的传输光谱都对齐到分裂共振的中心频率。如κ2接近0时，在1550nm附近存在一个单一的共振，表示未受扰动的状态。当κ2增大时，共振分裂出现并变得更加显著。这个趋势用图6b中的黑色箭头表示。图6d检查了κ2 = 0.154时的光谱切片。我们使用双洛伦兹曲线拟合测量的传输光谱，并提取了分裂共振的质量因子（图6e）。|AS⟩模式（低能量）的加载和内在Q因子分别为3.1 × 10^5和4.0 × 10^5，而|S⟩模式（高能量）的加载和内在Q因子分别为3.2 × 10^5和4.2 × 10^5。|AS⟩模式共振和|S⟩模式共振具有相似的Q因子，符合ATS标准。与未分裂共振相比，Q因子的轻微下降可归因于自耦合区域引起的额外耦合损耗。可以发现，分裂共振在每个共振波长上都会发生，而没有波长选择性。这是通过顺时针共振和逆时针共振之间的自耦合实现的，两者具有相同的FSR且无频率偏移。另一种类型的共振分裂是波长选择性的，可以通过嵌入的布拉格光栅40或具有不同FSR的级联环形谐振腔41来实现。这些波长依赖的分裂谐振器在抑制级联受激布里渊散射或自启动梳状源方面非常有用，而我们的无波长依赖的共振分裂谐振器可能在外部腔激光器中表现出色。

图7. (a) κ2 = 0.394时接近λ = 1543.5 nm的传输和反射光谱。 (b) 激光芯片与Sc-MR外部腔体芯片的端面耦合。 (c) 自由运行DFB激光器与带有Sc-MR外部腔体芯片的DFB激光器的频率噪声，Ta2O5-DFB激光器的基础线宽降低了12 dB。 (d) 基于Ta2O5的窄线宽激光器的发射光谱图，SMSR = 57 dB。

自耦合微谐振腔具有增强和可控的背向反射，可以作为一个多功能的外部腔体。图7a展示了κ2 = 0.394时Sc-MR的传输和反射光谱，接近λ = 1543.5 nm。共振时的最大反射为−2 dB，在1543.56 nm。作为概念验证，我们将自耦合微谐振腔作为外部腔体与自制的高功率低噪声DFB激光器耦合。实验设置如图7b所示。激光芯片和Sc-MR外部腔体芯片是端面耦合的。通过调节激光电流来调节工作波长，同时通过调整端面耦合条件精确调节反馈相位，借助压电驱动的机械平台。一个带透镜的光纤从Sc-MR的透射端口收集输出功率，并将光线送入激光线宽/相位噪声分析仪（OEwaves HI-Q OE4000）。图7c比较了自由运行DFB激光器和自注入锁定DFB激光器的频率噪声光谱。在相同的激光电流（200 mA）下，白噪声频率从8.8 × 10^3 Hz²/Hz降低到520 Hz²/Hz，对应于从27.6 kHz到1.6 kHz的洛伦兹线宽缩小。激光器达到了57 dB的旁模式抑制比（SMSR），如图7d所示。值得注意的是，当前的线宽缩小性能并未达到Sc-MR的极限，当前实验仅用于概念验证，进一步的研究正在进行中，涉及专用的相位、温度和耦合控制。

3.4. 维尼耶微环滤波器。

维尼耶微环滤波器由两个微环谐振腔（MRR）组成，三根平行波导耦合，如图8a所示。两个微环具有略微不同的半径（R1和R2），以扩展维尼耶滤波器的FSR。每个微环的FSR是

其中，λ 是波长，ng 是群折射率。级联微环滤波器的自由光谱范围，定义为FSRc，是MRR1和MRR2的FSR的整数倍。如图8b所示，首先在FSRa1和FSRb1之前对共振进行对齐，然后在FSRan和FSRbm之后再次进行对齐。

图9. (a) 维尼耶微环滤波器的传输光谱，R1 = 1000 μm，R2 = 1007 μm，Lc = 49.66 μm。包络的ER超过18 dB。光谱归一化到峰值功率。包络峰区域在1530 nm附近在(b)中被放大，显示相邻共振的ER为0.4 dB。橙色框区域在(c)中被放大，放大了由FSR不匹配引起的共振分裂。(d) 测量和计算的包络FSR在1530 nm附近与半径差ΔR的关系。

图9a展示了归一化的传输光谱，R1 = 1000 μm 和 R2 = 1007 μm，呈现出周期性的包络，证明了维尼耶效应的存在。包络的消光比（ER）超过18 dB。图9b中对包络峰区域的仔细观察强调了相邻共振的ER约为0.4 dB。当波长从峰值区域偏移时，会发生共振分裂，这在图9c中被放大显示。这是由于MRR1和MRR2的共振频率之间的错位所导致的。图9b和9c中的共振间距约为0.23 nm，而在1530 nm附近的包络自由光谱范围（FSRc）被测量为25.8 nm，是单个谐振腔FSR的108倍。FSRc与半径差ΔR之间的关系可以从方程5和6中推导出来。

一系列具有不同ΔR值（3、7和10 μm）的维尼耶微环滤波器被制造并表征。它们的平均FSRc值分别为48.5、25.8和22 nm。测量的FSRc与半径差成反比，与我们在图9d中的计算值非常吻合。通过适当的频率调制方法，42所展示的维尼耶微环滤波器将在集成外部腔激光器的模式选择和频率调谐中发挥重要作用。43

3.5. 萨尼亚克环形镜。

图10. (a) 左侧为萨尼亚克环形镜的艺术视图，右侧标出其几何参数。插图显示了制造的环形镜的方向耦合器的显微镜图像。比例尺 = 15 μm。 (b) 1550 nm波长下萨尼亚克环形镜的模拟透射率和反射率与耦合系数κ1的关系。 (c) 测量的反射端口和透射端口的光谱。插图显示了一个由632 nm红光照射的设备照片。 (d) 测量的透射率与反射率比与模拟结果的比较。

萨尼亚克环形镜可以提供宽带且可控的反射，无需复杂的纳米级图案。因此，它们易于制造，并广泛应用于集成激光腔体44和陀螺仪45。萨尼亚克环形镜由一个方向耦合器组成，两个端点连接形成环形。通过调整耦合系数，可以轻松且精确地调节萨尼亚克环形镜的传输（或反射）。如图10a所示，方向耦合器的耦合系数κ1通过调整间隙g1和耦合长度Lc来控制。图10b展示了耦合系数κ1与传输率和反射率的模拟关系。环形的半径为1000 μm，位于我们设计中的临界弯曲半径之上。

我们制造并实验表征了一个萨尼亚克环形镜，Lc = 37.24 μm，g1 = 1.25 μm，相当于κ1 = 0.145。排除测试装置中的额外损耗（如端面耦合损耗和循环器插入损耗）后，设备的透射端口和反射（输入）端口的插入损耗如图10c所示。随着波长增加，透射率逐渐下降，而反射率增加。测量的透射率与反射率的比值如图10d所示，并与模拟结果进行比较。该设备在1530到1570 nm的光谱范围内，透射率/反射率比从1.25:1下降到0.75:1，与模拟结果很好地吻合。值得注意的是，通过采用弯曲方向耦合器46，萨尼亚克环形镜的波长依赖性可以进一步抑制，其中耦合系数可以不依赖于波长。

3.6. 边缘耦合器。

光纤与光子集成电路（PICs）之间的光耦合为光信号传输和能量传递提供了必要的接口。光栅耦合和边缘耦合是广泛采用的光学输入/输出接口方法。47,48 与光栅耦合器相比，边缘耦合器具有更高的耦合效率和更宽的带宽，且无需超细特征。这里，我们研究了90 nm厚Ta2O5光子平台的边缘耦合方案。我们为Wwg = 2.5 μm的边缘耦合器实现了−2.1 dB/面耦合系数，并为Wwg = 800 nm的边缘耦合器揭示了潜在的高耦合效率（−1.6 dB/面）。

图11. (a) 两个边缘耦合器通过单模波导连接的艺术视图，其几何参数在右侧标出。插图显示了制造的边缘耦合器的锥形区域的显微镜图像。比例尺 = 15 μm。 (b) 边缘耦合器的艺术视图及其工作原理。 (c) 不同宽度的耦合器的模拟耦合系数。计算已考虑空气/介质反射和模式重叠。 (d) 不同宽度的边缘耦合器的测量耦合系数。锥形部分的长度相同，为1000 μm，以避免模式转换损耗。

如图11a所示，边缘耦合器由一个宽波导（宽度为W1）和一个长度为L的锥形结构组成。设计过程详细信息可在支持信息的第S5节中找到。如图11b所示，实验中使用的光纤是具有2.5 ± 0.5 μm焦点直径的透镜光纤，工作波长为1550 nm。为了减少耦合损耗，需要最小化光纤与波导之间的模式不匹配。考虑到空气/介质反射和模式重叠，图11c预测了不同宽度的边缘耦合器的耦合系数。显然，800 nm的宽度带来了最高的耦合系数，约为−1.6 dB。当边缘耦合器的宽度超过这一点时，耦合系数首先下降然后上升，当Wwg = 4.5 μm时达到第二个峰值，约为−2.6 dB。宽波导时耦合损耗的减少归因于水平方向上拉长的模式剖面。相比之下，图11d展示了不同宽度的边缘耦合器的测量耦合系数。测量结果与模拟预测的趋势非常吻合。单个最大值出现在Wwg = 2.5 μm时，耦合系数为−2.1 dB。这个值与我们之前工作中使用回退法测量的耦合损耗（约2.6 ± 0.03 dB/面）15相当。由于分辨率限制，目前无法验证小于1 μm波导的耦合系数，但未来将在先进的光刻工具的帮助下解决。

3.7. Y-分支分光器。

图12. (a) Y-分支分光器的艺术视图。插图显示了一个制造的Y-分支分光器的Y-junction区域的显微镜图像。比例尺 = 15 μm。 (b) 对于L = 390 μm和520 μm的分光器，插入损耗与Y-分支对数之间的关系。 (c) 1 × N Y-分支分光器的示意图。 (d) 1 × 8 Y-分支分光器和 (e) 1 × 64 Y-分支分光器在每个输出端口的插入损耗。插图显示了一个由632 nm红激光照射的1 × 64 Y-分支分光器。

集成光学分光器在芯片上实现信号路由和功率分配，在下一代光子集成电路中，如光学相位阵列、49傅里叶变换光谱学、50量子光子处理器51和类脑计算52中发挥越来越重要的作用。Y-分支分光器是最基本的分光器，仍然在PICs中广泛使用，因为它们不依赖于偏振、波长和温度。53 这种分光器将输入波均分到两个输出波导，并通过级联多个阶段可扩展为N端口设备（N = 2m）。54 尽管结构简单，但Y-分支分光器的设计仍需要专门的优化，因为它们在接头处容易受到制造缺陷的影响。

在我们的研究中，Y-junction的两个输出端口通过S型弯曲波导连接，以避免板模式串扰，如图12a所示。为了研究插入损耗的退化，我们设计了具有相同间距W = 30 μm但不同L的Y-分支分光器对，如图12b中的插图所示。设计过程可在支持信息的第S6节中找到。通过绘制总插入损耗与对数的关系，提取了每对分光器的附加插入损耗，分别为3.85 dB/对和1.62 dB/对，L = 390和520 μm的分光器。这样，这两种分光器的附加插入损耗分别为1.93 dB和0.81 dB。显然，更长的分光器有利于低损耗的功率分配。

Y-分支分光器的附加插入损耗通过使用图12c所示的级联1 × N分光器进一步验证。图12d比较了不同长度1 × 8分光器在每个端口测量的总插入损耗。对于L = 390 μm的分光器，平均总插入损耗为18.1 dB，略高于L = 520 μm的分光器，后者的总插入损耗为15.9 dB。考虑到光纤到端面的耦合损耗，L = 390 μm分光器的附加插入损耗约为1.55 dB，而L = 520 μm分光器的附加插入损耗约为0.63 dB。这些结果与上述使用回退法的测量结果很好地吻合。对于L = 520 μm的1 × 8分光器，输出端口之间的功率波动小于0.81 dB。

类似地，我们对图12e所示的1 × 64分光器进行了相同的测试。L = 390 μm分光器的附加插入损耗约为1.35 dB，与从1 × 8分光器得到的结果一致。然而，L = 600 μm分光器的附加插入损耗约为1 dB，高于预期。我们将插入损耗的略微增加归因于制造过程中粒子污染引起的散射损耗。图12e的插图捕捉到L = 600 μm的1 × 64分光器被红激光照射时的图像，从中可以观察到较大的粒子散射。对于较长的分光器，64个端口之间的功率波动小于1.96 dB。

结论
总之，我们展示了一个具有低传播损耗和低热折射灵敏度的Ta2O5光子平台。虽然过去的研究主要集中在传播损耗或无热化方面，但本研究强调了这两者。我们的结果表明，Ta2O5波导的传播损耗低至0.27 dB/cm。值得注意的是，传播损耗受到上覆层材料吸收的限制。通过增加核心厚度14或使用更高质量的SiO2（如溅射SiO2、13热氧化物、55或重氢化SiO2）56可以克服这一障碍。通过提高材料质量，Ta2O5腔体的Q因子可以进一步提高，这将有利于外部激光腔体的应用。Ta2O5材料的TOC为2.25 × 10−6/K。用这种材料制造的谐振腔的温度依赖波长偏移仅为9 pm/K，并且可以通过结构补偿方法进一步降低。

图13. 关键性能的雷达图，包括Ta2O5（本研究）、Si3N4、37 LiNbO3、58 AlN、59 和二氧化硅。60

57我们使用图13中的雷达图突出显示了Ta2O5材料与其他主流光子平台的优缺点。温度漂移稳定性由参数(1/TOC)定性决定，而热折射噪声稳定性则由参数(1/αn2)反映。此外，通过文献中报告的最大工艺温度的倒数（1/Tmax）评估了与CMOS BEOL工艺的制造兼容性。除此之外，我们还包括了相对于SiO2的折射率对比，作为模式约束和器件占地面积的指标。图13中使用的所有数据可在支持信息表S2中找到。可以发现，Ta2O5在温度漂移稳定性和热折射噪声稳定性方面优于其他平台。我们的平台具有适度高的Q因子，但仍可以进一步改进。13 重要的是，我们的平台完全兼容CMOS，释放了异构集成和光电封装的潜力。展示的组件，如高Q谐振腔、自耦合光学滤波器、维尼耶环谐振腔、萨尼亚克环形镜、边缘耦合器和Y分支分光器，都是构建集成外部激光腔体及相关应用的关键模块，突出显示了平台的多功能性和实用性。我们展示了使用Ta2O5腔体的自注入锁定DFB激光器原型，具有12 dB的基础线宽缩小。我们的工作为Ta2O5平台上的平面光波电路贡献了更全面的组件库。尽管在通信C波段实现，但该设计方法可以应用于其他波长，包括可见光和紫外区域。未来的工作将继续扩展组件库，优化制造工艺以实现更低的传播损耗，并利用Ta2O5在需要热折射稳定性的应用中的独特性能。通过解决这些问题，我们旨在充分发挥Ta2O5在创建节能和热稳定的光子芯片中的潜力。

作者；Zhenyu Liu, Wenle Yao, Mingjian You, Xiaolun Yu, Ning Ding, Weiren Cheng, Zhengqi Li, Xingyu Tang,Fei Guo,* Dan Lu, and Qiancheng Zhao*