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I. 引言

微型化、节能的光学器件在从先进传感器、通信系统到量子技术和精密时间计量等广泛技术中变得愈加重要。光子集成电路（PICs）通过将多个光学功能集成在单一芯片上，利用现有的CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺和基础设施来实现这一微型化，同时在尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）方面相比传统光学系统提供显著优势。

为了实现超越电信应用的先进光子集成电路，例如集成原子钟的精密时间计量、传感以及利用铷（Rb）原子的量子计算，需要在适合该波长的波导平台上集成提供短波长相干辐射的激光源。对于波长小于1.1 µm的情况，由于硅的相对狭窄带隙，广泛使用的硅光子平台（SOI）已不再适用。解决这一问题的最有前景且技术上成熟的方案是使用氮化硅（SiN）波导平台，它提供从约400 nm的波长到更宽频带的透明性，并且具有低于0.1 dB/m的极低损耗。这使得氮化硅波导特别适用于利用超高Q值微腔或其他共集成非线性材料的非线性器件。

然而，一个关键挑战在于由于III-V材料（> 3）与氮化硅（约2）之间的高折射率差异，如何将光从III-V光源耦合到低损耗波导。许多有前景的III-V与氮化硅集成的演示主要集中在电信和光通信波长（1550 nm和1310 nm），并使用渐变波导和中间薄硅层进行耦合。不幸的是，在较短波长下，由于硅的带隙较小，这种方法无法适用。

通过使用中间介电材料作为耦合结构/光斑尺寸转换器，可以非绝热地将光从III-V模式耦合到中间介电波导，并随后通过反向渐变波导耦合到氮化硅波导。此方法已成功用于在氮化硅平台上集成广泛的III-V功能，首先在亚微米波长下，随后在780 nm波长下演示了铷原子光谱学，并通过晶圆键合实现了高达12 mW的波导耦合功率。然而，这种介电耦合结构需要在III-V集成后沉积和图形化波导结构，这显著复杂化了后续集成过程。此外，使用绝热反向渐变波导限制了工作带宽。

一种替代的光耦合方法——端面耦合，已广泛用于将高性能激光器集成到氮化硅和薄膜铌酸锂（TFLN）中，从1550 nm一直到637 nm，以制造稳定的单模激光器和锁模激光器。在这种方法中，III-V增益芯片通过端面耦合与具有低损耗波导的芯片连接。由于这一过程是基于芯片级的，因此芯片对芯片的耦合本质上比晶圆级方法的可扩展性差，限制了其商业化潜力。

通过微转印集成方法的卓越灵活性，III-V材料可以通过直接端面耦合方法在晶圆级上异质集成，其中III-V材料直接放置在硅基底上，相比晶圆键合集成技术，提供了优异的热特性，并且具有极其宽带的光耦合能力。此外，微转印方法还具有其他优点，如高效利用III-V材料、使用预表征激光器和半导体光放大器（SOA）的潜力，以及无需对氮化硅晶圆进行III-V处理。这项技术之前已在1550 nm和1310 nm波长下通过端面耦合将法布里-珀罗激光器与波导集成。然而，这些演示缺乏高效的耦合和更复杂的激光功能，如延长腔激光器。

本文展示了首次在短波长下使用微转印技术进行晶圆级兼容端面耦合集成的延长腔激光器演示。我们利用端面耦合的波长无关特性，成功实现了在800 nm处发射的激光器。我们展示了输出功率超过4 mW的连续波激光器，并通过被动锁模生成具有极高稳定性的脉冲列，基本射频（RF）线宽达到519 Hz，脉冲能量达到0.27 pJ。这是通过利用我们高效的微转印GaAs基激光器“芯片”实现的，其激光功率超过70 mW，半导体光放大器（SOA）的内部增益超过30 dB。集成激光器展示了我们集成方法的稳健性和多功能性，能够作为实现800 nm光子学的关键推动力，应用于光谱学、微波光子学、量子计算和芯片级光学原子钟等领域。

II. 结果

A. 通过微转印技术在SiN光子平台上的III-V集成

图 1. 氮化硅异质集成平台，采用不同的激光结构，波长中心为 800 nm。a. 微转移打印工艺的简化流程。所示步骤：1. 在顶层覆层 SiN 芯片中进行凹槽蚀刻；2. 在凹槽中进行 MTP，其中 III-V 族模式与 SiN 模式垂直对准，如图所示。3. 打印后处理：平坦化并用苯并环丁烯 (BCB) 填充、电通孔蚀刻和接触焊盘金属化。b. 所提出的晶圆级微转移打印方法示意图，其中 (I) 使用弹性体印章从 III-V 族源晶圆拾取；(II) 转移到目标晶圆；(III) 在目标晶圆上蚀刻的凹槽中进行打印。c. 在 3 µm × 60 nm 浅蚀刻锥体中，被动 SiN 模式的光学模式比较，计算重叠率为 96%。d.与SiN波导对准的微转移印刷试样的显微镜图像，

显示出优异的对准效果。e. SEM图像（假彩色）显示，在BCB填充之前，同一试样位于凹槽内。

由于SiN波导的形貌，凹槽蚀刻导致氧化硅顶部包层表面受损，因此SiN波导（SiN WG）的位置清晰可见。f. 聚焦离子束蚀刻印刷试样横截面的SEM图像。可见端面距离小于500纳米，受凹槽蚀刻角度限制。g. 氮化硅波导元件的显微镜图像：光栅耦合器和使用非对称多模干涉仪（MMI）的萨格纳克环镜。

本研究提出了一种异质集成III-V/SiN器件的平台，其中5 µm厚的III-V外延层通过微转印技术转移到SiN波导平台上蚀刻的凹槽中。图1a展示了一个简化的集成过程流程。更详细的描述见方法部分和补充材料。该集成过程是在芯片级进行的，但微转印是一种完全兼容晶圆级的工艺，意味着整个集成过程也可以在晶圆级上执行。图1b展示了晶圆级微转印过程的前景。在此，功能性预处理的III-V器件，如激光器，从III-V源晶圆中拾取，并转移到SiN目标晶圆上，直接放置在硅基底上，位于蚀刻的凹槽中，并通过端面耦合到SiN波导上。图1c比较了被动SiN波导和活性III-V波导中的模式，显示了96%的模式形状重叠。图1d-f展示了微转印技术在SiN平台上的芯片，并显示了与SiN波导的对准。图1g展示了所有激光结构中使用的Sagnac环形镜。

为了在III-V和SiN波导之间耦合光，光学模式通过调节外延层堆叠的厚度与SiN波导平台中蚀刻的凹槽深度对齐。该过程的更详细描述见补充材料。此过程要求在三个维度上具有优秀的对准精度：III-V与SiN界面之间的距离、由于MTP不准确性导致的横向转印偏移，以及由于掩埋氧化物和外延层厚度不准确导致的垂直失配。如图1f所示，界面距离受限于凹槽蚀刻的角度。该角度测量约为85度，导致最小界面距离约为450 nm。从补充材料中展示的仿真结果来看，在工具规格为±1 µm（3σ）范围内的横向失配值下，耦合效率超过50%，最大可达86%。通过使用更先进的晶圆级微转印工具，且对准精度为±0.5 µm（3σ），可以实现更好的耦合效果。

B. 高功率III-V激光器芯片用于端面耦合微转印技术

图2. 微转印芯片准备和硅目标芯片上的表征过程步骤
a. 激光器芯片准备和转移到硅上的示意过程流。 显示的步骤：

1. 包括波导层、对齐III-V模式与SiN模式的间距层以及悬挂芯片的释放层的外延层堆叠；

2. 图案化芯片，特征为2 µm宽的脊形波导、刻蚀的光学面、SiN钝化层和金属接触；

3. 使用光刻胶封装，将芯片锚定到基底，并进行选择性去刻蚀以悬挂芯片；

4. 使用弹性体印刷头拾取芯片，打破光刻胶连接；

5. 使用薄的约50 nm BCB附着层将芯片打印到硅基底上。
   b. 来源基板的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示悬挂的芯片和已拾取的芯片。
   c. 芯片的详细图，显示背面高反射（HR）金涂层。
   d. 在硅上转印的FP激光器的连续波（CW）光电流电压（LIV）特性，包括墙插效率（WPE），使用平面自由空间硅功率计测量。
   e. 打印的RSOA在硅上的内部小信号增益，排除6 dB光纤耦合损失与波长的关系。
   f. 打印的FP激光器在硅上的光学发射光谱，使用30 pm分辨带宽进行测量。

图2a展示了源晶圆准备的简化过程流程，用于微转印（Al）GaAs基激光器芯片的制造，起始于外延生长的III-V层，包含四个量子阱，并在假硅基底上进行打印测试。图2b展示了悬挂在GaAs源晶圆上的激光器芯片。由于直接端面耦合方案仅允许在一个面上耦合，芯片的后表面涂覆了高反射金涂层，如图2c所示。反射型半导体光放大器（RSOA）和法布里-珀罗（FP）芯片在同一个源晶圆上制造，唯一的区别是蚀刻的前表面角度。为了将RSOA波导模式的反射从模拟值-12 dB降低到-70 dB（如补充材料中所示），前表面与波导方向成7度角。法布里-珀罗芯片的前表面角度为0度，提供约6%的反射值到波导模式（当封装在BCB中时），以促进激光发射。

图2d展示了典型1 mm长法布里-珀罗芯片的光电流电压（LIV）特性，使用自由空间硅功率计进行测量。FP激光器在150 mA时表现出强大的激光输出功率，超过70 mW，阈值电流为48 mA或2.4 kA/cm²。此外，这种集成方法的优秀散热特性在即使在最高测量电流密度超过7 kA/cm²时，仍能保持没有热滚降的现象。GaAs基量子阱激光器的典型高效率可从超过20%的墙插效率和0.66 W·A⁻¹的斜率效率中看出。图2f显示了在100 mA时的光学谱，发射波长为796 nm。最后，使用带透镜的光纤耦合到III-V波导模式中，提取并绘制了1 mm长RSOA的微信号增益，如图2e所示。在这里，6 dB的光纤到III-V的耦合效率被补偿，显示出超过30 dB的高内部增益，以及15 nm宽带宽上超过20 dB的增益。这表明RSOA有潜力应用于广泛可调单模Vernier激光器中，用于铷光谱学。

C. 异质集成800 nm连续波和锁模激光器

对于如跨倍频组合产生原子钟等非线性应用，需要高光功率。由于这些效应的非线性性质，产生短脉冲的源可以用于放宽平均激光功率的要求。锁模激光器通过使用可饱和吸收器（SA）锁定不同纵向腔模式的相位，从而完全在芯片上生成脉冲。图3a展示了这样的芯片集成锁模激光器，以及图3b中一个等效的自由空间激光系统。在这里，可饱和吸收器被放置在一个腔体中，腔体由两个镜子和一个光增益元件组成。通过添加可饱和吸收器，法布里-珀罗腔的最初随机相位的纵向模式（图3c）被相位锁定，形成脉冲（图3d）。在芯片集成激光器中，腔体使用一个III-V RSOA芯片、一个金属镜子和一个75%反射的Sagnac环形镜形成。通过将SOA的一个子段与其余增益部分电气隔离，可以对其施加负电压以引起吸收，而较长的增益部分则加正偏压以提供净增益。在可饱和吸收器中，在高入射功率下，电子积聚在导带中，耗尽基态并占据激发态。这导致吸收的漂白和饱和，从而实现锁模操作。

为了实现激光腔体的低噪声运行，应该最大化光子寿命。这通过使用氮化硅（SiN）中的低损耗波导螺旋实现，极大地延长了光子寿命，远超单片III-V平台中可能实现的光子寿命。延长腔体还允许生成较低重复频率的频谱梳，增加光频梳的光谱密度，这对于光谱应用非常重要。完全集成的锁模激光器如图3e所示，在显微镜明场图像中可以看到，在略高于激光阈值的暗场图像（图3f）中清楚地显示了延长腔激光发射，从光栅耦合器的发射和侧壁散射中可以明显看出。

使用所提出的集成工艺，通过改变激光腔中低损耗SiN波导螺旋的长度，制造了多个锁模激光器，具有3.2 GHz、7.5 GHz和9.2 GHz的自由光谱范围。3.2 GHz和9.2 GHz的激光器是基于imec 200 mm SiN平台制造的，而7.5 GHz的激光器则是在自家电子束光刻（EBL）平台上制造的。这些激光器在连续波法布里-珀罗模式下进行了测试，其中隔离增益部分与增益部分并联正向偏置，以提供最大输出功率；在锁模模式下，隔离增益部分通过单独偏置用作可饱和吸收器，以实现锁模。

测量装置如图4a所示，处于锁模操作模式。图4b展示了9.2 GHz imec平台激光器在连续波（CW）操作模式下的LI性能。图4c绘制了相应的光谱，在100 mA增益电流下，显示出多模激光发射。在本研究中，我们展示了一种完全集成的端面耦合延长腔激光器，波导耦合输出功率超过4 mW，阈值电流为48 mA或2.4 kA/cm²。当前的耦合效率受到凹槽蚀刻控制和由于MTP开发原型阶段的附着问题导致的芯片弯曲的限制。通过优化耦合，可以解锁图2中显示的功率水平。从耦合仿真中，我们预计在优化后可以实现高达50 mW的波导耦合法布里-珀罗激光器输出功率。

稳定的锁模在所有三种重复频率锁模激光器中都得到了观察，详细比较请见补充材料。 锁模的详细特性在图4b-j中针对3.2 GHz imec平台激光器进行了更详细的描述。通过对可饱和吸收器（SA）电压和增益电流进行二维扫描，测量了该激光器的锁模图。这些数据如图4f和j所示，绘制了平均输出功率和射频线宽作为这两个输入参数的函数，只有在观察到锁模的情况下才进行绘制，锁模被定义为显示稳定的射频梳并且至少有三个等距的射频音调。对于3.2 GHz锁模激光器（MLL），观察到的脉冲能量高达0.16 pJ，而对于7.5 GHz锁模激光器，脉冲能量高达0.27 pJ。这些功率，如前所述，受限于III-V到SiN的耦合。通过优化耦合，我们预计脉冲能量可达到约3 pJ。图4d和e进一步描述了在85 mA增益电流和-1.3 V SA偏置下的最佳锁模点，展示了实时示波器跟踪的光电二极管电压，以显示脉冲操作以及光谱，其中显示了一个宽而平坦的发射光谱，具有3.5 nm的10-dB带宽，相当于1.7 THz，并包含525条梳齿线。图4g和h进一步使用射频梳和对基础射频音调的放大显示了最佳锁模点，显示出大约50 dB的消光比，受测量噪声底限的限制。此外，通过图4i中的单边带相位噪声测量，提取了519 Hz的洛伦兹线宽，对应最小的脉冲到脉冲定时抖动为51 fs，表明锁模梳的优异被动稳定性。有关锁模激光器的更详细表征见补充材料。这些结果显示了所述集成方法在创建用于非线性应用的强大复杂激光系统方面的潜力。

III. 讨论

利用本文中概述的集成方法，可以将复杂和高功率激光器集成到SiN平台上，用于800 nm波长的应用。通过优化III-V到SiN的耦合，制造的器件的输出功率可以提高，以匹配在激光器芯片表征中观察到的高功率潜力。如前所述，优化微转印工艺可以显著改善耦合，包括调节打印参数、附着层组成和厚度以及凹槽蚀刻深度控制。此外，通过包括分布布拉格反射器（DBR）或Vernier环滤波器，可以集成单模激光器。后者可以集成，以潜在地实现> 15 nm的波长可调性。最后，通过集成具有平坦前表面的法布里-珀罗激光器芯片，可以实现最佳的潜在功率。这样，波导耦合功率最多可达到50 mW。

所展示的集成方法可以很容易地扩展到更短波长，使用不同的增益材料，如InGaP、(Al)GaN和AlN，因为耦合方案具有波长无关性。此外，还可以使用不同的波导平台，如薄膜铌酸锂-氧化物（LNOI）或铝氧化物，以进一步扩展光谱和功能。通过利用微转印方法的灵活性，可以在大多数晶圆键合无法实现的密度和复杂度下共同集成多种不同材料。将本文中的激光器与微转印的渐变耦合铌酸锂或铌钽酸锂行波调制器相结合，可以在800 nm处创建高速光互联或快速可调的单模激光器。此外，可以共同集成硅光探测器作为监视二极管或用于片上光谱仪或铷气室的绝对频率稳定的传感二极管。将本文中展示的锁模激光器与高Q值的SiN环谐振器或微转印的非线性GaP波导结合，可以实现用于芯片集成原子钟中的f-2f参考的完全集成和高效的超级连续谱源。最后，该集成工艺与现有的光子SiN平台的兼容性意味着这种方法非常适合大规模、高产量的制造。微转印可以用于在CMOS工艺的后端集成III-V材料，在前端保持与CMOS不兼容的III-V材料。高效利用昂贵的III-V材料，并且展示了微转印技术的灵活性，彰显了其在更短波长下实现III-V集成的潜力。

IV. 方法

III-V 激光器芯片制造

激光器芯片的制造从使用金属有机气相外延（MOVPE）在2英寸n型掺杂GaAs衬底上生长外延层开始，更多详细信息见补充材料。激光脊形波导和可饱和吸收器隔离通过BCl3/H2基的感应耦合等离子体（ICP）刻蚀形成，采用氮化硅硬掩模，这些硬掩模是通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积并通过紫外光刻和SF6/CF4/H2基反应离子刻蚀（RIE）图案化的。接下来，激光器通过低应力PECVD氮化硅进行钝化，打开通孔，并使用电子束沉积和去膜工艺沉积P接触金属（Ti/Au）和N接触金属（Ni/Ge/Au）。为了消除金属与III-V界面处的本征氧化物，在接触沉积前使用稀释的HCl浸泡，接触层随后在430°C下进行快速热退火（RTA）。随后，激光器的mesa结构，包括光学表面，通过相同的ICP工艺进行刻蚀，并使用PECVD氮化硅进行钝化。一个金镜被沉积在一个表面上，包括一个薄的（几纳米厚，为了限制吸收）Ti附着层，通过倾斜电子束沉积和去膜工艺进行。接下来，使用BCl3/H2基的ICP刻蚀和光刻胶掩膜图案化InGaP释放层，以选择性地暴露衬底。然后，使用厚的（约6 µm）正性光刻胶封装芯片，形成与衬底的连接，并留下前表面裸露，以允许紧密的端面耦合。最后，使用2:1的HCl:H2O溶液进行去刻蚀处理。

III-V 芯片在硅基底上的表征

转移到硅基底上的FP激光器芯片使用直流探针进行电气探测，并使用平面自由空间光电二极管（Thorlabs S130C）和光谱仪（OSA，Anritsu MS9740A）进行表征。RSOA芯片的增益通过带透镜的光纤耦合和可调的钛宝石激光器进行提取。这是通过测量经过环行器后的反射和放大的激光输出，再除以不同波长下的输入激光峰值来完成的。光纤到RSOA的耦合通过将光纤耦合的LI曲线拟合到RSOA放大自发辐射的自由空间LI曲线来提取。

微转印集成

III-V芯片在imec的200 mm SiN平台和一个自家的电子束光刻（EBL）平台上进行集成。对于imec平台，提供的200 mm晶圆具有300 nm厚的SiN波导，带有上下的硅氧化物（SiO2）包层。对于自家平台，使用EBL和RIE刻蚀基于CHF3化学物质的均匀晶圆，晶圆上有300 nm厚的SiN层，底部为3300 nm厚的SiO2层。然后，使用感应耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）沉积2 µm厚的顶层包层。微转印之前，使用ICP和CHF3/Ar气体混合物以及铬金属硬掩模进行凹槽刻蚀，并通过去膜工艺进行图案化。接下来，添加一层薄的（约50 nm）光刻可图案化的BCB（Cyclotene 4000系列）附着层，使用紫外光刻法去除凹槽边缘的任何积累物。然后，III-V芯片被微转印到凹槽中，并与氮化硅波导对准。最后，进行后处理，添加金属接触并用BCB填充光路中的空隙。集成过程的更多详细信息见补充材料。

延长腔激光器表征

延长腔连续波和锁模激光器通过输出光栅耦合器和切割并经过抗反射涂层处理的780HP单模光纤进行表征。使用基于光纤的分配器，测量锁模激光器的光输出，采用光纤耦合功率计（HP 1936-R）和光谱仪（OSA，Anritsu MS9740A），分辨率为0.03 nm。波导耦合功率通过使用切割结构提取的光栅耦合插入损失进行计算。此外，使用带有25 GHz带宽的GaAs基光电二极管（Thorlabs DXM25CF）测量光信号。结果射频信号使用63 GHz带宽的RTO（Keysight DSAZ634A）和44 GHz带宽的ESA（Keysight N-9010A）进行分析。相位噪声测量使用ESA进行。这些测量会对不同的增益电流和SA电压重复进行，以绘制二维参数空间中的结果指标。