可調(diào)激光器在集成光學(xué)中起著關(guān)鍵作用，尤其是混合集成外腔激光器（ECL），因?yàn)樗軌蛴行ЫY(jié)合直接帶隙III-V材料增益元件的光學(xué)放大與先進(jìn)的被動(dòng)光子集成電路（PIC）所提供的可調(diào)光反饋。這種反饋電路可通過硅光子（SiP）平臺(tái)或氮化硅（Si?N?）實(shí)現(xiàn)，后者具備比硅光子電路更低的線性和非線性損耗。這種設(shè)計(jì)不僅提升了基于諧振腔反饋電路的內(nèi)在Q因子，還消除了在高功率條件下的雙光子吸收（TPA），顯著降低相位噪聲，最終實(shí)現(xiàn)小線寬輸出。

然而，將III-V增益元件和可調(diào)外腔電路在芯片級(jí)封裝中的共同集成依然面臨挑戰(zhàn)。一種集成方法稱為“異構(gòu)集成”，即將III-V材料層（如InGaAsP）直接轉(zhuǎn)移到已有的硅或氮化硅PIC電路上，這樣可以實(shí)現(xiàn)高密度單片集成。但是，這個(gè)過程涉及到的工藝非常復(fù)雜，主要應(yīng)用在硅光子平臺(tái)上，但技術(shù)難度和成本都很高。

另一種方法是將III-V芯片和被動(dòng)反饋電路分別加工在不同襯底上，然后在緊湊的多芯片模塊中進(jìn)行混合集成。這種方法允許單獨(dú)優(yōu)化和測(cè)試每個(gè)組件，并促進(jìn)增益元件與溫度敏感反饋電路之間的熱解耦。然而，混合光子多芯片模塊的組裝極度依賴基礎(chǔ)光學(xué)芯片的高精密對(duì)準(zhǔn)。為確保各個(gè)芯片之間的光耦合效率，需要在組裝過程中進(jìn)行“主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)”，即不斷調(diào)整和優(yōu)化。這種復(fù)雜的操作會(huì)降低制造速度和效率，因此難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、成本效益高的生產(chǎn)。

新型基于Si?N?的混合集成ECL

本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種新型的基于Si?N?的混合集成ECL，采用光子引線鍵合（PWB）技術(shù)，將其用作反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）和外部反饋電路之間的耦合元件。PWB是在一個(gè)完全自動(dòng)化的工藝過程中原位（in-situ）制造的，這意味著它們是在裝配過程中直接定制成型。這種定制設(shè)計(jì)能夠使PWB的形狀與兩端芯片的模式場(chǎng)大小和位置精確匹配。即使不同的截面尺寸差異很大，或者芯片的放置精度有局限性，PWB仍然能實(shí)現(xiàn)低耦合損耗。該設(shè)計(jì)減少了對(duì)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的依賴，從而提高了制造效率和可擴(kuò)展性。

在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)展示的ECL具備90 nm的調(diào)諧范圍（1480 nm–1570 nm），芯片輸出功率超過12 dBm，邊模抑制比（SMSR）高達(dá)59 dB。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了979 Hz的本征線寬，這在類似的反饋架構(gòu)中是非常低的值。在實(shí)際應(yīng)用中，PWB作為腔內(nèi)耦合元件的光學(xué)損耗約為1.6 ± 0.2 dB。

圖1(b)InP RSOA和Si?N?芯片的俯視圖。Si?N?芯片包含一個(gè)采用Vernier調(diào)諧的橢圓形諧振器R1和R2的Sagnac環(huán)鏡、一個(gè)腔相調(diào)諧器（CPT），以及基于MZI的可調(diào)輸出耦合器。InP RSOA的后面端面經(jīng)過高反射（HR）涂層處理，前面則具有抗反射（AR）涂層，且前面以9.0°的角度切割。PWB用于填補(bǔ)RSOA前面與Si?N?芯片上邊緣耦合器（EC）之間的306 μm間隙，該邊緣耦合器由一條錐形（WG）組成，傾斜角度為19.9°。PWB的應(yīng)用使得即便芯片兩端的發(fā)射方向不匹配，也能實(shí)現(xiàn)良好的光耦合，體現(xiàn)了設(shè)備在芯片對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)連接上的靈活性。

在該設(shè)備中，CPT的長(zhǎng)度為1 mm，Vernier橢圓形諧振器的周長(zhǎng)分別為885.1 μm（R1）和857.4 μm（R2）。四個(gè)輔助（WG2至WG5）和輸出（WG1）被布置在Si?N?芯片邊緣，并與相應(yīng)的漸變EC連接，間距為127 μm。所有五個(gè)端口通過3D打印的FaML與單模光纖（SMF）陣列耦合。

圖1(c)展示了模塊的側(cè)視圖。每個(gè)PWB的端部配備了額外的連接結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性。Si?N?的橢圓形諧振器、MZI和CPT通過熱相位調(diào)諧器進(jìn)行調(diào)節(jié)，CPT用于調(diào)整腔回路相位，以確保最大鏡面反射率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為2π的整數(shù)倍?；贛ZI的可調(diào)輸出耦合器則用于設(shè)置從激光腔中提取的光與反饋到RSOA的光之間的比例。

ECL模塊組裝與性能表征

在模塊組裝的第一步中，RSOA通過導(dǎo)電膠粘貼到銅散熱器上，隨后與Si?N?芯片粗略對(duì)準(zhǔn)，并一起固定在鋁基座上（如圖1(a)所示）。鋁基座上的階梯結(jié)構(gòu)用于調(diào)整RSOA芯片與Si?N?外腔芯片層的高度。PWB軌跡取決于RSOA和Si?N?外腔芯片端面的具體位置和發(fā)射方向，如圖1(b)所示。

外腔（EC）依賴于光點(diǎn)尺寸轉(zhuǎn)換器（SSC），其設(shè)計(jì)通過減小Si?N?頂層的厚度和兩個(gè)疊層Si?N?條帶的寬度，同時(shí)保持中間SiO?層的厚度不變。在我們的設(shè)備中，頂層Si?N?的厚度從常規(guī)的175 nm逐漸減小到接近端面的零厚度，最終僅保留底層Si?N?條帶的75 nm厚度。

在芯片輸入處，Si?N?條帶的初始寬度為2 μm，并在錐形部分的末端減小到標(biāo)準(zhǔn)寬度1.1 μm。這種設(shè)計(jì)使得測(cè)得的橢圓模式場(chǎng)尺寸為7.2 μm（水平）和4.6 μm（垂直）。為了最佳地與芯片端面的模式場(chǎng)尺寸匹配，PWB的矩形截面設(shè)計(jì)為寬度8.0 μm和高度5.0 μm。

在實(shí)施中，PWB填補(bǔ)了RSOA與Si?N?芯片之間306 μm的間隙。RSOA側(cè)的PWB具有初始橫截面4.0 μm × 4.0 μm，以匹配RSOA端面的模式場(chǎng)尺寸。PWB的橫截面隨后減少到常規(guī)的2.4 μm × 2.0 μm。在Si?N?芯片的端面，PWB上調(diào)至上述的最終橫截面8.0 μm × 5.0 μm，以連接到片上Si?N?外腔。PWB在這兩段之間保持常量橫截面2.4 μm × 2.0 μm，同時(shí)軌跡描繪出一個(gè)弧形，以順利連接兩端的邊緣耦合（WG），盡管它們的發(fā)射方向差異顯著。在RSOA和Si?N?芯片的端面上打印的附加結(jié)構(gòu)改善了PWB的機(jī)械穩(wěn)定性，如圖1(c)所示。

Si?N?芯片的輸出端依賴于五個(gè)相同的附面微透鏡（FaML），這些透鏡被打印到光纖陣列（FA）的端面。這些FaML是專門為外腔芯片的輸出端設(shè)計(jì)，以便與光纖陣列（端口1-5）進(jìn)行有效耦合。外腔再次依賴一對(duì)Si?N?條帶，這些條帶從標(biāo)準(zhǔn)寬度1.1 μm向端面縮減至最終寬度0.8 μm，底部的Si?N?層保持75 nm的恒定厚度，而上層的厚度則從175 nm降至零。

通過這種設(shè)計(jì)，最終的模式場(chǎng)尺寸在兩個(gè)方向上均為7.5 μm。FaML的長(zhǎng)度為70 μm，提供了透鏡尖端與Si?N?端面之間的工作距離為50 μm。因此，F(xiàn)A與Si?N?芯片端面之間的距離為120 μm，如圖1(b)所示。

PWB和FaML均采用一種負(fù)光刻膠材料（VanCoreA，Vanguard Automation GmbH，德國(guó)；折射率n = 1.53）通過原位多光子光刻技術(shù)制造。制造完成的PWB和FaML在PGMEA中顯影，隨后用異丙醇沖洗并進(jìn)行吹干。FA上FaML的制作是在PWB制造之后的一個(gè)獨(dú)立步驟，使用3D打印技術(shù)完成，并由定制的貼裝機(jī)組裝。

圖2(a)展示了完全組裝的ECL模塊的顯微鏡圖像，包括假色的PWB和相應(yīng)截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及FA上五個(gè)FaML的顯微鏡圖像。

圖2. ECL模塊的實(shí)現(xiàn)和性能表征

(a) 根據(jù)圖1(a)組裝的ECL模塊的顯微鏡圖像。插圖(i) 展示了掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，該圖像通過虛假著色處理，展示了光子引線鍵合（PWB）在RSOA和Si?N?芯片之間的連接。通過不同位置的橫截面標(biāo)記，可以觀察到PWB在光傳播過程中的形狀變化及其對(duì)光學(xué)耦合的影響。插圖(ii)展示了光纖陣列（FA）上的五個(gè)附面微透鏡（FaML）的顯微鏡圖像。它們的間距為127 μm，并且正對(duì)著Si?N?芯片上相應(yīng)的端口（Ports 1至5）。這種設(shè)計(jì)確保了光纖和之間的高效耦合，減少了光損耗。

(b) 在1550 nm波長(zhǎng)下，ECL模塊的輸出功率（Pout）與注入電流（I）之間的關(guān)系。可以觀察到閾值電流為19 mA，平均斜率效率為132 mW/A（用虛線直線擬合）。

(c)  展示了在注入電流為100 mA時(shí)，ECL的激光光譜疊加圖。激光的調(diào)諧范圍為1480 nm至1570 nm，以5 nm的步幅進(jìn)行調(diào)諧。在1525 nm附近，最大芯片輸出功率達(dá)到12 dBm。

本研究還詳細(xì)驗(yàn)證了混合集成ECL的多功能性，該設(shè)備成功用作窄線寬可調(diào)諧泵浦激光器，并首次在高品質(zhì)因數(shù)的Si?N?微諧振器中實(shí)現(xiàn)了單孤子Kerr頻率梳的生成（詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》，第41卷，第11期，2023年6月）。頻率可調(diào)的混合集成ECL在相干通信、光學(xué)相干斷層掃描（OCT）等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用前景。

本文探討了PWB和FaML技術(shù)在混合集成ECL中的關(guān)鍵作用，分析了它們?cè)谔嵘す馄餍阅?、降低制造成本以及?jiǎn)化組裝過程方面的貢獻(xiàn)。PWB技術(shù)通過高效的光連接實(shí)現(xiàn)了III-V增益元件與被動(dòng)光子集成電路之間的無縫耦合，消除了傳統(tǒng)組裝中對(duì)高精度對(duì)準(zhǔn)的依賴。該技術(shù)采用多光子光刻工藝，能夠在制造過程中原位定制形狀，適應(yīng)不同芯片之間的模式場(chǎng)尺寸和位置差異，從而確保低耦合損耗。

FaML技術(shù)利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)制造微光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)超高的定位精度和優(yōu)良的光束整形效果，顯著減少光損耗并實(shí)現(xiàn)更高的傳輸效率。該技術(shù)能夠根據(jù)具體應(yīng)用需求精確設(shè)計(jì)微透鏡的幾何形狀和結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化光耦合效果，并保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

PWB和FaML技術(shù)的結(jié)合為滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求提供了強(qiáng)有力的支持，推動(dòng)光子集成電路的發(fā)展，提升光電子器件的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

如需了解這兩項(xiàng)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系凌云光公司400-829-1996。

參考文獻(xiàn)：