中红外量子级联激光器的光子集成

中红外光子集成芯片在环保监测、医疗诊断和国防安全等领域具有广泛的应用前景,但激光光源与无源波导光路的片上集成仍是中红外集成光学需要攻克的关键难题之一。

量子级联激光器(QCL)是中红外波段的重要半导体激光光源。工作在中红外波段的半导体激光器结构主要有量子级联激光器(QCL)和带间级联激光器(ICL)两种。在室温下,ICL目前主要工作在3~6μm的波长范围,而QCL在中红外谱区能覆盖3~20μm的波长范围,ICL可以在较低电流阈值下实现激射,而QCL可以输出较高的光功率。另外,中红外波段的QCL主要生长在InP衬底上。

麦姆斯咨询报道,近期,中山大学电子与信息工程学院王瑞军副教授课题组在《红外与激光工程》期刊上发表了以“中红外量子级联激光器的光子集成”为主题的综述文章。王瑞军副教授主要从事光电集成器件与芯片和半导体激光器方面的研究工作。

这项研究介绍了近几年中红外QCL在光子集成方面的研究进展,包括InP基单片集成、硅基单片集成、硅基异质键合集成和III-V/锗混合外腔激光器。

中红外波段的InP基单片光子集成平台有待继续开发,其中一个难点在于QCL的有源区有1.5~3μm厚,远超近红外波段的量子阱二极管激光器的有源区(~100nm厚),这大大增加了QCL有源波导与InGaAs无源波导低损耗片上集成的难度,为了解决这个问题,国际上多个研究团队发展出几条不同的QCL单片集成的路线。

各类单片集成QCL器件的结构示意图:(a)MIT林肯实验室研制的单片集成QCL器件的结构示意图,QCL波导的其中一截被选择性地注入质子以减少自由载流子与子带跃迁损耗;(b)倏逝波耦合的单片集成QCL器件的结构示意图;(c)通过对接耦合实现中红外QCL与低损耗无源波导的单片集成,在湿法蚀刻移除掉大部分区域的有源层后,InGaAs无源波导层通过MOVPE生长在QCL晶圆上;(d)图1(c)所示单片集成QCL器件在CW模式下的光功率-电流-电压关系(LIV)曲线

硅基光子集成可以利用成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺线在大尺寸晶圆线上加工光子器件与芯片,这使得大批量制造低成本光子传感芯片成为可能,为了实现中红外硅基光子集成芯片的片上光源,研究人员开始探索QCL与硅基波导光子片上集成的方法,该研究主要介绍国内外研究团队在QCL的硅基单片集成、异质键合集成和混合外腔集成方面所开展的工作。

要在硅基光子芯片上集成QCL作为光源,最直接的方法就是在硅衬底上生长QCL外延材料然后加工成激光器,但硅与III-V族材料的晶格失配度较大,直接在硅上生长高质量的外延材料难度很大,而且硅晶圆只作为衬底使用,表面没有波导结构,QCL产生的激光也并没有耦合进入硅波导。为了实现III-V族化合物半导体激光器与硅基波导光路的片上集成,硅基光子学在过去十几年探索出多条路线,包括异质键合集成、混合外腔集成、倒装焊等,近些年,这些技术也被应用到QCL与硅波导光路的集成上。

异质键合是指将QCL外延材料键合到硅基波导光路上,然后再加工成激光器的集成方式,波导光路作为激光谐振腔的一部分扮演光学反馈和选模的作用。另外,国际上一些团队探索利用光子集成芯片作为激光器的反馈与选模元件研制混合集成的外腔激光器,该方案将已加工好的QCL或增益芯片与光子芯片对准后集成封装在一起,可以在获得波长宽调谐的同时实现激光器与波导光路的耦合与集成,由于QCL与光子芯片在集成前已经封装好,因此不会影响器件的散热。

中红外光电器件在传感与成像等领域具有重要且广泛的应用,目前相关的光学系统往往由分立的器件组成,将这些体积庞大的光学系统集成到一块芯片上是光子集成研究的长期目标。国内外许多研究团队报道了中红外片上传感和片上成像方面的研究成果,但是这些研究基本都通过将外置光源的输出耦合进入芯片来实现片上功能,激光光源实际上并没有在片上集成,实现激光器的光子集成是实现真正的片上传感和片上成像的重要一步。另外一方面,光子集成平台可以提供低损耗的光波导、宽调谐的滤波器、高品质因子的微环谐振器,将III-V族半导体激光器与这些元件集成到一起可以实现传统中红外半导体激光平台难以实现的宽调谐、窄线宽等先进功能。

目前片上集成的QCL在性能方面与传统III-V衬底上的器件还有较大差距,这一方面是因为异质集成增加了器件的工艺难度,同时QCL与无源波导之间的较差的耦合效率也使得器件的性能不如预期,此外片上集成也增加了QCL器件的散热难度。在后续的研究中,需要优化QCL与无源波导的耦合结构,研究实现QCL高效片上散热的方法,探索硅上外延生长的新途径,实现QCL与光子芯片的晶圆集成,使完全集成的中红外光子传感器成为现实。

该项目获得光电材料与技术国家重点实验室自主课题(OEMT-2021-PZ-01)的支持。该研究第一作者为中山大学电子与信息工程学院硕士生朱纯凡,主要从事光电集成器件与芯片方面的研究工作。

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