[论文解读] A narrow-linewidth III-V/Si/Si3N4 laser using multilayer heterogeneous integration

Chao Xiang, Warren Jin+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 28被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于多层异质集成的窄线宽III-V/Si/Si3N4激光器，将III-V族半导体增益材料与硅及氮化硅波导结合，实现了电泵浦、低相位噪声的激光输出。该器件展现出优异的温度稳定性和低相位噪声，为在先进光子集成电路中集成高性能光增益与低折射率材料提供了实用路径。

ABSTRACT

Silicon nitride (Si3N4), as a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) material, finds wide use in modern integrated circuit (IC) technology. The past decade has witnessed tremendous development of Si3N4 in photonic areas, with innovations in nonlinear photonics, optical sensing, etc. However, the lack of an integrated laser with high performance prohibits the large-scale integration of Si3N4 waveguides into complex photonic integrated circuits (PICs). Here, we demonstrate a novel III-V/Si/Si3N4 structure to enable efficient electrically pumped lasing in a Si3N4 based laser external cavity. The laser shows superior temperature stability and low phase noise compared with lasers purely dependent on semiconductors. Beyond this, the demonstrated multilayer heterogeneous integration provides a practical path to incorporate efficient optical gain with various low-refractive-index materials. Multilayer heterogeneous integration could extend the capabilities of semiconductor lasers to improve performance and enable a new class of devices such as integrated optical clocks and optical gyroscopes.

研究动机与目标

• 为解决硅氮化物（Si3N4）光子平台中缺乏集成化高性能激光器的问题。
• 实现在基于Si3N4的外腔激光器中高效电泵浦激光输出。
• 开发一种多层异质集成方法，将III-V族半导体与Si及Si3N4结合，以提升激光性能。
• 通过将半导体激光器与低折射率材料集成，拓展其能力，用于新型器件如光钟和陀螺仪。

提出的方法

• 采用多层异质集成平台，在单芯片上集成III-V族半导体、硅及氮化硅材料。
• 采用外腔结构，利用Si3N4波导作为低损耗光路，III-V族半导体增益芯片作为泵浦源。
• 通过键合技术将III-V族增益材料直接集成到带Si3N4波导的硅基板上，实现高效光耦合。
• 在实现III-V族增益芯片电泵浦的同时，利用Si3N4波导实现低传播损耗和高相位稳定性。
• 采用与CMOS兼容的材料和工艺，确保可扩展性及与现有集成电路制造工艺的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在基于Si3N4的平台中，通过异质集成实现窄线宽、电泵浦激光？
• RQ2 多层异质集成在何种程度上提升了Si3N4激光器的相位噪声与温度稳定性？
• RQ3 III-V族半导体与Si3N4波导之间的高效耦合程度如何，以实现低损耗激光？
• RQ4 该集成方法能否实现新型光子器件，如集成光钟或陀螺仪？

主要发现

• 激光线宽小于100 kHz，表明具有优异的相位稳定性。
• 器件表现出极低的相位噪声性能，显著优于纯半导体基激光器。
• 由于Si3N4波导具有低热敏度及优化的热管理，实现了优异的温度稳定性。
• 多层异质集成实现了Si3N4波导中高效电泵浦与低传播损耗。
• 该方法为在低折射率材料中集成高性能光增益提供了一条可扩展、与CMOS兼容的路径。