由于优异的光学器件性能和互补金属氧化物半导体（CMOS）的兼容性，硅光子集成在许多应用领域取得了巨大的成功。在单个硅片上实现III-V族激光器与硅光子器件的单片集成被认为是超高密度光子集成的一大障碍。超高密度光子集成可以提供相当经济、节能和规模化制造的片上光源，但目前鲜有报道。
据麦姆斯咨询报道，近日，上海交通大学和中国科学院物理研究所的研究人员展示了直接生长在沟槽绝缘体上硅（SOI）衬底上的嵌入式InAs/GaAs量子点（QD）激光器，实现了与对接耦合硅波导的单片集成。利用预定义的SOI沟槽内的图案化光栅结构和混合分子束外延（MBE）的独特外延方法，在该SOI衬底上实现了具有单片外耦合硅波导的高性能嵌入式量子点激光器。通过解决这种单片集成结构的外延和制造挑战，获得了在SOI衬底上的嵌入式III-V族激光器，其连续波激光发射工作温度范围最高为85 °C，最大输出功率可以从对接耦合硅波导的末端测得，为6.8 mW，耦合效率约为-6.7 dB。本研究成果提供了一种可扩展且低成本的外延方法，实现了片上光源与硅光子器件的直接耦合，对于未来的高密度光子集成具有重要的意义。
在本研究工作中，边缘耦合器和图案化沟槽在具有220 nm厚的顶部Si层和3 μm厚的SiO2掩埋氧化物（BOX）层的SOI晶片上制造。叉形耦合器和互连波导通过电子束光刻（EBL）工艺来限定。使用ICP-RIE工艺对抗蚀剂图案进行完全蚀刻。随后，在去除电子束光刻胶之后，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术沉积3 μm厚的SiO2包覆层。然后，对包覆层、顶部Si层、BOX层和1.5 μm衬底层进行蚀刻，以形成激光器沟槽。值得注意的是，III-V族激光器外延的预定义激光器沟槽面积为每个单元16 mm × 16 mm，显示出大约16%的III-V族填充因子。最后，利用EBL和ICP-RIE蚀刻工艺制备了用于III-V族激光器生长的硅光栅。
图案化SOI沟槽示意图和边缘耦合器设计
沟槽SOI衬底上嵌入式激光器的制造工艺包括：第一步：暴露的硅衬底上刻蚀出硅光栅；第二步：在硅光栅顶部同质外延形成硅V形槽结构；第三步：在SOI沟槽内直接生长InAs/GaAs量子点激光器外延结构；第四步：化学去除SOI沟槽外不需要的III-V族材料；第五步：制备具有单侧解理面的窄脊激光器；第六步：最后通过直接边缘耦合将量子点激光器耦合到预先图案化的硅波导中。
该研究工作所制备的嵌入式InAs/GaAs量子点激光器的倾斜视图SEM图像表明，该激光器与预先图案化的硅波导精确对准，激光器脊和硅波导之间的水平偏移小于250 nm。
硅波导耦合的单片集成InAs/GaAs量子点激光器
硅波导边缘耦合的片上激光器的特点是在室温连续波模式下，阈值电流略高，为65 mA，最高工作温度为85 °C（比不耦合硅波导的激光器低10 °C）。相对较高的阈值电流和较低的最高工作温度归因于周围带有BOX层的激光器沟槽内热累积的增加。该硅波导耦合的片上激光器的最大输出功率为6.8 mW。
与硅波导耦合和不耦合的SOI衬底上嵌入式InAs/GaAs量子点激光器的连续波特性
总而言之，通过在预先图案化的SOI沟槽内直接生长InAs/GaAs量子点激光器，实现了具有硅波导输出的SOI衬底上的单片集成III-V族激光器。为了在SOI衬底上获得高质量的III-V族增益材料，本研究采用了（111）面硅V型槽的同质外延生长和InGaAs/GaAs缺陷俘获技术的异质外延生长。结果表明，III-V族激光器与硅光子器件的单片集成将不再是设计层面的假设。该单片集成激光器的最高工作温度为85 °C，室温下阈值电流为65 mA，硅波导耦合最大输出功率为6.8 mW。更进一步，片上集成InAs/GaAs量子点激光器的性能可以通过包括先进的硅模斑尺寸转换器（spot-size converter）来进一步提高，该转换器在工艺过程中可以精确控制激光器-波导耦合的距离。一旦耦合效率问题得到解决，许多可选择的硅光子器件都可以单片集成在单晶片上，例如调制器、波长解复用器和光电探测器等。功能集成的下一个主要步骤应包括具有高边模抑制比（SMSR）的单纵模操作，这将需要构建表面光栅或片上分布式布拉格反射器。总之，研究人员相信这种片上激光器的单片集成技术将为高密度和大规模的硅光子集成提供一种很有前途的方法，特别是在片上光互连和集成光学测距等应用领域。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41377-023-01128-z
