----翻譯自 M. Kiewiet 等人2024年發(fā)表的《 Micro-Transfer Printed Semiconductor Optical Amplifier with Saturable Absorber for Pulse Generation at 790 nm Wavelength 》

摘要：

在原子鐘、光學(xué)相干斷層掃描和量子計(jì)算等應(yīng)用中，需要低成本、低噪聲的超快速脈沖激光 源來(lái)替代昂貴的體光源，這推動(dòng)了對(duì)近可見光波長(zhǎng)集成光子激光源的需求。為實(shí)現(xiàn)低噪聲運(yùn) 行，需要將III-V 族材料與低傳輸損耗的光子平臺(tái)（如氮化硅）集成。為此，我們展示了通 過微轉(zhuǎn)印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體光放大器與可飽和吸收體的異質(zhì)集成。該器件采用晶圓級(jí)兼容工 藝制造，其中可飽和吸收體通過對(duì)增益區(qū)的一小部分進(jìn)行電隔離來(lái)定義。在放大器的一個(gè)刻 蝕腔面上沉積金鏡。隨后，將該器件微轉(zhuǎn)印到硅襯底上進(jìn)行表征。利用該放大器構(gòu)建了一個(gè) 擴(kuò)展光纖腔激光器，盡管腔內(nèi)光纖與放大器之間存在 6dB 的高耦合損耗，輸出功率仍超過 2mW。在 0V可飽和吸收體偏壓下，光輸出通過光電二極管記錄，產(chǎn)生的射頻信號(hào)顯示出明 顯且狹窄的光譜峰，表明存在鎖模行為。這些結(jié)果清楚地表明，該工藝在將放大器與可飽和 吸收體集成到其他材料平臺(tái)上以制造鎖模激光器方面具有潛力。

引言

基于砷化鎵的量子阱激光器通常用于近紅外范圍內(nèi)的光發(fā)射，應(yīng)用領(lǐng)域包括生物光子學(xué)、光 譜學(xué)、量子技術(shù)[1]以及使用銣的光學(xué)原子鐘[2]。對(duì)于許多此類應(yīng)用，尤其是光學(xué)時(shí)鐘，需要 頻率梳來(lái)提供光譜參考。然而，目前的臺(tái)式可見激光器和梳狀光源既昂貴又龐大。為了使精 確的光學(xué)時(shí)鐘更廣泛地應(yīng)用，人們正在推動(dòng)光子集成梳狀光源的發(fā)展，以降低成本和尺寸。 目前已經(jīng)出現(xiàn)了三種主要的芯片級(jí)梳狀光源：電光梳、克爾梳和鎖模激光器。在克爾梳和電 光梳中，都需要高功率單頻泵浦激光器，通過非線性效應(yīng)或電光效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。雖然它們?cè)?產(chǎn)生寬頻率梳方面有效，但仍然需要集成泵浦激光器。相比之下，鎖模激光器可以直接產(chǎn)生 梳狀光譜[3]。

當(dāng)在法布里-珀羅腔或環(huán)形腔中引入非線性元件時(shí)，就會(huì)發(fā)生鎖?，F(xiàn)象。最常見的鎖模形式 是使用可飽和吸收體（SA）實(shí)現(xiàn)的，可飽和吸收是一種非線性效應(yīng)，其中材料的吸收率隨入 射光功率的增加而降低。在法布里-珀羅腔中，激光腔中可以存在許多縱模。在沒有模式選 擇的情況下，會(huì)產(chǎn)生具有隨機(jī)和變化相位差的多個(gè)模式。通過插入可飽和吸收體，激光器將 優(yōu)先產(chǎn)生具有特定相位差的模式，從而形成脈沖。這是因?yàn)榇┻^可飽和吸收體的脈沖會(huì)在短 時(shí)間窗口內(nèi)降低吸收率，這使得激光腔中有利于脈沖的形成。這種效應(yīng)被稱為鎖模。在半導(dǎo) 體光放大器SOA中創(chuàng)建可飽和吸收體的一種常用方法是對(duì)一小段波導(dǎo)進(jìn)行電隔離并反向偏 置，從而在量子阱中引起吸收。當(dāng)高光功率入射到可飽和吸收體上時(shí)，電子會(huì)在導(dǎo)帶中積累， 通過泡利阻塞耗盡基態(tài)并占據(jù)終態(tài)。這種效應(yīng)導(dǎo)致吸收飽和，吸收會(huì)通過帶內(nèi)熱弛豫和復(fù)合 隨時(shí)間恢復(fù)。 為了實(shí)現(xiàn)鎖模激光器的低噪聲運(yùn)行，最常用的方法是制造擴(kuò)展腔激光器。在這種激光器中， 短增益區(qū)與長(zhǎng)低損耗無(wú)源反饋腔耦合。由于產(chǎn)生的長(zhǎng)往返時(shí)間和低損耗，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)光子壽命， 因此光譜線寬較窄。此外，脈沖的低重復(fù)率導(dǎo)致光譜梳密集。為了實(shí)現(xiàn)這樣的腔，需要將半 導(dǎo)體光放大器與低損耗平臺(tái)（如氮化硅）集成。盡管最近在780nm波長(zhǎng)的氮化硅上推動(dòng)了 混合和異質(zhì)集成單模激光源的發(fā)展[4,5]，但尚未展示用于實(shí)現(xiàn)鎖模的非線性元件的共集成。 為此，本工作展示了通過微轉(zhuǎn)印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的包含可飽和吸收體的砷化鎵半導(dǎo)體光放大器的異 質(zhì)集成。

制造方法

制造步驟如圖1所示，對(duì)（Al）GaAs外延生長(zhǎng)層進(jìn)行處理，形成脊形波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器 單元。對(duì)單元的腔面進(jìn)行等離子體刻蝕和鈍化處理。單元的前腔面進(jìn)行傾斜處理，以減少反 射進(jìn)入波導(dǎo)模式。后腔面涂覆金以形成反射鏡。如圖1g所示，通過等離子體刻蝕摻雜的p 接觸層，對(duì)反射鏡附近的短波導(dǎo)段進(jìn)行電隔離，形成可飽和吸收體。為了將單元轉(zhuǎn)移到新的 襯底上，將其封裝在光刻膠中，通過光刻膠系鏈將其固定在GaAs襯底上。通過封裝中的通 孔，蝕刻InGaP犧牲釋放層（圖1c），使單元懸浮。隨后，使用彈性體印章拾取單元，斷開 光刻膠系鏈。然后將其微轉(zhuǎn)印到帶有薄苯并環(huán)丁烯（BCB）粘附層的硅目標(biāo)襯底上進(jìn)行測(cè)試， 并添加接觸墊用于電探測(cè)。

實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

通過使用透鏡光纖耦合到波導(dǎo)模式，并使用反射率為 75%的光纖環(huán)形鏡，形成擴(kuò)展光纖腔， 對(duì)轉(zhuǎn)移后的帶有可飽和吸收體的半導(dǎo)體光放大器進(jìn)行測(cè)試，如圖2a所示。使用透鏡光纖的 光纖到腔的耦合效率測(cè)量為單向6dB。在半導(dǎo)體光放大器的增益區(qū)注入電流，同時(shí)對(duì)可飽和 吸收體施加反向偏置。在 0V和-1V可飽和吸收體偏壓下得到的LIV曲線如圖2b所示，閾值 電流分別為49mA和56mA，在70mA時(shí)輸出功率高達(dá)2mW。此外，激光輸出通過光電二 極管進(jìn)行測(cè)量。如圖2c所示，得到的射頻信號(hào)顯示出光學(xué)模式的強(qiáng)拍頻，間隔為2.708GHz， 表明存在鎖模行為。由于估計(jì)腔的往返頻率約為 40MHz，可能發(fā)生諧波鎖模，即腔中存在 許多脈沖。明顯、狹窄的拍頻信號(hào)清楚地證實(shí)了腔中存在功能性可飽和吸收體。

結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，我們展示了包含可飽和吸收體的砷化鎵半導(dǎo)體光放大器的微轉(zhuǎn)印技術(shù)。可飽 和吸收體經(jīng)過驗(yàn)證，顯示出明顯的鎖模能力，由于微轉(zhuǎn)印方法的高度靈活性，該半導(dǎo)體光放 大器可以集成在不同的波導(dǎo)平臺(tái)上，未來(lái)將該器件微轉(zhuǎn)印到氮化硅等低損耗平臺(tái)上，可能實(shí) 現(xiàn)高質(zhì)量、低成本的梳狀光源。

參考文獻(xiàn)

[1] G. Moody, V. J. Sorger, D. J. Blumenthal, et al., "Roadmap on integrated quantum photonics," J. Phys. Photon., vol. 4, p. 012501, 2022. [2] D. Ludlow, M. M. Boyd, J. Ye, et al., "Optical atomic clocks," Rev. Mod. Phys., vol. 87, pp. 637-701, Jul. 2015. [3] H. Haus, "Mode-locking of lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 6, no. 6, pp. 1173–1185, Nov./Dec. 2000. [4] Prokoshin, M. Gehl, S. Madaras, W. W. Chow, and Y. Wan, "Ultra-narrow-linewidth hybridintegrated self-injection locked laser at 780 nm," Optica, vol. 11, pp. 1024-1029, 2024. [5] Z. Zhang, B. Shen, M. A. Tran, W. Lee, K. Asawa, G. Kim, Y. Shen, T. J. Morin, A. Malik, J. E. Bowers, T. Komljenovic, and C. Zhang, "Photonic integration platform for rubidium sensors and beyond," Optica, vol. 10, pp. 752-753, 2023.

審核編輯 黃宇