微转印SOA和SA用于790nm脉冲产生

----翻译自 M. Kiewiet 等人2024年发表的《 Micro-Transfer Printed Semiconductor Optical Amplifier with Saturable Absorber for Pulse Generation at 790 nm Wavelength 》

摘要：

在原子钟、光学相干断层扫描和量子计算等应用中，需要低成本、低噪声的超快速脉冲激光 源来替代昂贵的体光源，这推动了对近可见光波长集成光子激光源的需求。为实现低噪声运 行，需要将III-V 族材料与低传输损耗的光子平台（如氮化硅）集成。为此，我们展示了通 过微转印技术实现的半导体光放大器与可饱和吸收体的异质集成。该器件采用晶圆级兼容工 艺制造，其中可饱和吸收体通过对增益区的一小部分进行电隔离来定义。在放大器的一个刻 蚀腔面上沉积金镜。随后，将该器件微转印到硅衬底上进行表征。利用该放大器构建了一个 扩展光纤腔激光器，尽管腔内光纤与放大器之间存在 6dB 的高耦合损耗，输出功率仍超过 2mW。在 0V可饱和吸收体偏压下，光输出通过光电二极管记录，产生的射频信号显示出明 显且狭窄的光谱峰，表明存在锁模行为。这些结果清楚地表明，该工艺在将放大器与可饱和 吸收体集成到其他材料平台上以制造锁模激光器方面具有潜力。

引言

基于砷化镓的量子阱激光器通常用于近红外范围内的光发射，应用领域包括生物光子学、光 谱学、量子技术[1]以及使用铷的光学原子钟[2]。对于许多此类应用，尤其是光学时钟，需要 频率梳来提供光谱参考。然而，目前的台式可见激光器和梳状光源既昂贵又庞大。为了使精 确的光学时钟更广泛地应用，人们正在推动光子集成梳状光源的发展，以降低成本和尺寸。 目前已经出现了三种主要的芯片级梳状光源：电光梳、克尔梳和锁模激光器。在克尔梳和电 光梳中，都需要高功率单频泵浦激光器，通过非线性效应或电光效应进行调制。虽然它们在 产生宽频率梳方面有效，但仍然需要集成泵浦激光器。相比之下，锁模激光器可以直接产生 梳状光谱[3]。

当在法布里-珀罗腔或环形腔中引入非线性元件时，就会发生锁模现象。最常见的锁模形式 是使用可饱和吸收体（SA）实现的，可饱和吸收是一种非线性效应，其中材料的吸收率随入 射光功率的增加而降低。在法布里-珀罗腔中，激光腔中可以存在许多纵模。在没有模式选 择的情况下，会产生具有随机和变化相位差的多个模式。通过插入可饱和吸收体，激光器将 优先产生具有特定相位差的模式，从而形成脉冲。这是因为穿过可饱和吸收体的脉冲会在短 时间窗口内降低吸收率，这使得激光腔中有利于脉冲的形成。这种效应被称为锁模。在半导 体光放大器SOA中创建可饱和吸收体的一种常用方法是对一小段波导进行电隔离并反向偏 置，从而在量子阱中引起吸收。当高光功率入射到可饱和吸收体上时，电子会在导带中积累， 通过泡利阻塞耗尽基态并占据终态。这种效应导致吸收饱和，吸收会通过带内热弛豫和复合 随时间恢复。 为了实现锁模激光器的低噪声运行，最常用的方法是制造扩展腔激光器。在这种激光器中， 短增益区与长低损耗无源反馈腔耦合。由于产生的长往返时间和低损耗，实现了长光子寿命， 因此光谱线宽较窄。此外，脉冲的低重复率导致光谱梳密集。为了实现这样的腔，需要将半 导体光放大器与低损耗平台（如氮化硅）集成。尽管最近在780nm波长的氮化硅上推动了 混合和异质集成单模激光源的发展[4,5]，但尚未展示用于实现锁模的非线性元件的共集成。 为此，本工作展示了通过微转印技术实现的包含可饱和吸收体的砷化镓半导体光放大器的异 质集成。

制造方法

制造步骤如图1所示，对（Al）GaAs外延生长层进行处理，形成脊形波导半导体光放大器 单元。对单元的腔面进行等离子体刻蚀和钝化处理。单元的前腔面进行倾斜处理，以减少反 射进入波导模式。后腔面涂覆金以形成反射镜。如图1g所示，通过等离子体刻蚀掺杂的p 接触层，对反射镜附近的短波导段进行电隔离，形成可饱和吸收体。为了将单元转移到新的 衬底上，将其封装在光刻胶中，通过光刻胶系链将其固定在GaAs衬底上。通过封装中的通 孔，蚀刻InGaP牺牲释放层（图1c），使单元悬浮。随后，使用弹性体印章拾取单元，断开 光刻胶系链。然后将其微转印到带有薄苯并环丁烯（BCB）粘附层的硅目标衬底上进行测试， 并添加接触垫用于电探测。

实验与结果

通过使用透镜光纤耦合到波导模式，并使用反射率为 75%的光纤环形镜，形成扩展光纤腔， 对转移后的带有可饱和吸收体的半导体光放大器进行测试，如图2a所示。使用透镜光纤的 光纤到腔的耦合效率测量为单向6dB。在半导体光放大器的增益区注入电流，同时对可饱和 吸收体施加反向偏置。在 0V和-1V可饱和吸收体偏压下得到的LIV曲线如图2b所示，阈值 电流分别为49mA和56mA，在70mA时输出功率高达2mW。此外，激光输出通过光电二 极管进行测量。如图2c所示，得到的射频信号显示出光学模式的强拍频，间隔为2.708GHz， 表明存在锁模行为。由于估计腔的往返频率约为 40MHz，可能发生谐波锁模，即腔中存在 许多脉冲。明显、狭窄的拍频信号清楚地证实了腔中存在功能性可饱和吸收体。

结论

在这项工作中，我们展示了包含可饱和吸收体的砷化镓半导体光放大器的微转印技术。可饱 和吸收体经过验证，显示出明显的锁模能力，由于微转印方法的高度灵活性，该半导体光放 大器可以集成在不同的波导平台上，未来将该器件微转印到氮化硅等低损耗平台上，可能实 现高质量、低成本的梳状光源。

参考文献

[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.

审核编辑 黄宇