蓝宝石包层+氮化硅波导层---异质蓝宝石支撑的氮化硅低损耗光子平台，在蓝宝石上长氮化硅薄膜

本文的特色与以前不同的是 ，与以前采用氧化硅做包层不一样是，本文采用蓝宝石-氧化铝做包层。

摘要

蓝宝石是一种很有前景的可见光子学宽带衬底材料。它是 III 族氮化物发光二极管和激光器结构的常见生长衬底。掺杂蓝宝石是重要的增益介质，是钛蓝宝石和红宝石激光器开发的基础。对于在可见光和近红外波长下工作的激光器，一个能够最大限度地减少损耗同时最大限度地提高增益材料重叠的光子平台至关重要。在这里，我们介绍了一种新颖的低损耗波导策略，可在蓝宝石基板上建立高性能集成光子学。该平台在 780 nm 附近实现了 560 万的高内在品质因数，并与一系列固态激光增益介质直接兼容。

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简介

硅光子学由于其支持高密度集成的能力以及与硅微电子制造工艺的兼容性而在各个领域取得了巨大的成功，其在电信领域的应用以1.5- 𝜇μ m 波长就是一个典型的例子。蓝宝石被认为是光子学中重要的宽带隙材料，因其用作重要的增益介质（例如钛掺杂蓝宝石和红宝石）而广受赞誉，此外它也是蓝色半导体器件（例如氮化镓发射器）的首选衬底。可见光子集成电路 (PIC) 的出现将改变量子计量 [ 1 ]、光学传感 [ 2 – 4 ] 和消费显示光学等领域，这得益于可见光到近红外 (near-IR) 集成进展的推动通过异构 [ 5 ] 和混合集成技术 [ 6 , 7 ] 激光器。可见波长平台的前景包括硅支撑的氮化硅[8-15 ] 、氧化铝[ 16 , 17 ]和铌酸锂[ 18 , 19 ]。值得注意的是，在蓝宝石衬底上，氮化铝和氮化镓等 III 族氮化物材料表现出非常低的损耗，在可见光波段 [ 20 ] 低至 5.3 dB/cm，在紫外波段 [ 21 ] 低至 8 dB/cm。

虽然已经开发了多种光子平台，但现有平台在某些应用的能力方面仍然存在显着差距，例如异构激光集成和片上传感[ 22 ]，其中与包层的显着重叠至关重要。高限制平台包含波导内的大部分光场，在异构集成时面临着与增益材料实现足够模态重叠的挑战。另一方面，低约束平台如薄芯氮化硅[ 23-26 ]和钽[ 27 ]，提供超低光学损耗和显着的包层重叠，但需要大的弯曲半径，范围从毫米到厘米。这会影响辐射损耗和设备紧凑性，通常需要依赖基于铸造的制造工艺。此外，基于蓝宝石的平台的功能和潜在应用尚未得到充分探索。

在这项研究中，我们展示了蓝宝石基板上的低损耗波导，它有效地减轻了最小化辐射损耗和最大化模态重叠之间的权衡，从而实现了非常紧凑的设计。我们在近可见光波长处实现了 560 万的品质因数，并且与顶部包层的模态重叠高达 35%。该集成电路平台可扩展到更短的波长[ 28 ]，能够集成热调谐元件等附加功能，因此特别适合集成蓝宝石基固态激光器和III-N发射器的异构集成[ 29 ， 30 ]。

2. 设计与制作

本手稿中讨论的波导由三层组成：底部蓝宝石衬底、氮化硅 (SiN) 波导芯和顶部蓝宝石包层，如图1 (a) 所示。在创建低损耗波导的各种设计考虑因素中，选择合适的波导芯厚度至关重要。更薄的纤芯可以减少由于模态限制减少而导致的散射损耗，尽管是以更大的弯曲半径为代价，这反过来又降低了高密度集成的潜力。图1 (b) 显示了不同波导厚度上顶部包层重叠系数的变化。重叠因子定义为Γclad=12𝜖0𝜇0−−√∫𝐴clad𝑛clad|𝐸|2𝑑𝐴∫𝐴⟨𝑆𝑧⟩𝑑𝐴Γclad=12ϵ0μ0∫Acladnclad|E|2dA∫A⟨Sz⟩dA ， 在哪里𝜖0ϵ0 ,𝜇0μ0 是真空介电常数和真空磁导率，𝑛cladnclad 是包层的折射率，⟨𝑆𝑧⟩⟨Sz⟩ 是平均坡印廷向量，𝐴cladAclad 和𝐴A 是包层集成区和整体集成区。50 nm 的厚度可实现高达 46% 的重叠系数，从而在顶部包层掺杂时促进显着的光学离子相互作用。然而，这种好处是有代价的：更薄的氮化硅波导会产生更高的弯曲损耗。图1 (c) 显示了三种厚度（50 nm、100 nm 和 150 nm）、宽度为 5 的波导的模拟弯曲损耗。𝜇μ m 表示 50 nm 厚度，3𝜇μ m 适用于 100 nm 和 150 nm 厚度，特别适用于基本 TE 模式。考虑到谐振器制造中典型电子束 (ebeam) 写入场为 1mm x 1mm 的限制，我们为后续器件制造选择了 100 nm 的波导厚度。

图 1. (a) 所提出的蓝宝石夹层波导几何结构示意图。(b) 蓝宝石基波导的模拟顶部包层重叠系数，其中波导宽度为 3 𝜇 𝜇 米。(c) 波导弯曲损耗与三种几何形状中弯曲半径的函数关系：3 𝜇 𝜇 m × × 150纳米，3 𝜇 𝜇 m × × 100纳米和5 𝜇 𝜇 m × × 50纳米。插图显示了弯曲半径为 200 时对应于三种几何形状的典型 TE 模式轮廓 𝜇 𝜇 米，400 𝜇 𝜇 米，800 𝜇 𝜇 m，从上到下分别是。箭头方向和长度分别代表局部电场的方向和强度。

制造顺序如图2 (a) 所示。该工艺首先由 Rogue Valley Microdevices 通过低压化学气相沉积 (LPCVD) 在蓝宝石基板上沉积 100 nm 厚的化学计量氮化硅层。由于光学模式与波导顶部和底部边界的强烈相互作用，如图2 (b) 中的原子力显微镜图像所示，采用了高度抛光的蓝宝石，实现了 0.10 nm 的表面平均粗糙度 (Ra) 。类似地，沉积的SiN膜的顶表面表现出0.13nm的粗糙度。波导图案由氢倍半硅氧烷 (HSQ) 电子束抗蚀剂定义，使用 Raith EBPG 5200+ 电子束光刻系统，采用三遍曝光工艺，在 x 和 y 轴上都有偏移。为了抵消电子束光刻过程中蓝宝石绝缘特性产生的电荷积聚，应用了水溶性聚合物聚（4-苯乙烯磺酸）（PSSA）（300 nm），然后进行 8 nm 金沉积。然后使用氟基等离子体将该图案蚀刻到 SiN 波导中，并通过增加氧气流量来增强，以去除侧壁上的氟碳聚合物残留物 [ 31 ]。随后使用缓冲氧化物蚀刻去除蚀刻掩模，所得器件如图2 (c)所示。接下来，使用 RCA 清洗对 PIC 和顶部蓝宝石片的表面进行清洗，然后用食人鱼溶液进行处理。顶部蓝宝石片尺寸约为 5 毫米 x 5 毫米，PIC 表面在直接键合之前通过氧等离子体激活。通过等离子体增强化学气相沉积在非粘合区域周围沉积氮氧化硅，作为顶部包层，其折射率在 780 nm 可见光波长下与蓝宝石相匹配。最终器件被劈开，以暴露沿蓝宝石 m 平面的小面，图2 (d) 显示了完成的芯片，其在接合区域内容纳了 16 个环形谐振器。

图 2. (a) 蓝宝石基波导器件制造工艺流程，包括氮化硅 (SiN) 低压化学气相沉积 (LPCVD)、波导蚀刻、顶部蓝宝石层粘合以及氮氧化硅（SiON）的沉积。(b) 原子力显微镜图像显示用于 SiN 生长的蓝宝石衬底，其平均粗糙度 (Ra) 为 0.10 nm。(c) 微环谐振器的显微图像。(d) 最终器件的光学图像，比例尺 3 mm。

3. 结果

我们通过分析可见波长下的光学共振来表征 SiN PIC 的光学损耗，如图3 (a) 所示。可调谐激光器 (Newport TLB 6712-P) 通过透镜光纤和倒锥度将光耦合进出 SiN 芯片，每个波导面的耦合度小于 2.5 dB。传输的光被发射到功率计 (HP81530A) 并链接到 DAQ。环形谐振器的设计采用点耦合方法来减轻耦合区域的损耗。我们观察到短波长下共振消光的较大变化，这可能归因于涉及键合晶体界面和芯片面的耦合法布里-珀罗腔效应。

图 3. (a) 微环谐振器的透射光谱，通过在 769 nm 至 781 nm 的波长范围内调谐激光器获得。(b, c) 分别在 769.874 nm 和 771.902 nm 处放大光学共振，每个测量内在质量 (Q) 因子分别为 560 万和 460 万。(d) 近可见光谱内固有 Q 因子的分布。

使用以下公式计算谐振的品质因数 𝑄=𝜔/𝜅Q=ω/κ ， 在哪里 𝜔ω 和 𝜅κ 分别表示光频率和谐振损耗率。模式的偏振调整为 TE00，这是 400- 的基本横电模式。 𝜇μ 米半径微谐振器。图3 (b,c) 显示了采用洛伦兹曲线拟合的典型 TE00 模式谐振，拟合的负载品质因数分别为 380 万和 290 万。这些共振的消光比反映了欠耦合条件（ 𝜅0>𝜅exκ0>κex ），分别为 8.95 dB 和 11.6 dB。用于计算内在品质因数的公式， 𝑄intQint ，来自加载的品质因数如下所示：

在哪里 𝑇0T0 是从分贝转换为线性标度的消光比。计算得出的图3 (b) 的内在质量因数为 560 万，图3 (c) 的内在质量因数为 460 万。根据 Q 测量，利用以下公式得出当前环形谐振器在 769.874 nm 处的最低传播损耗为 0.12 dB/cm 𝛼=4.343×2𝜋𝑛𝑔𝑄int𝜆α=4.343×2πngQintλ ， 在哪里 𝑛𝑔=𝑐2𝜋𝑅ring⋅FSRng=c2πRring⋅FSR 是群折射率。与我们之前出版物 [ 28 ] 中测量的传播损耗相比，此处的传播损耗显着降低。这种改进归因于两个关键因素：蓝宝石衬底和包层的表面粗糙度较低，以及波导厚度从 150 nm 减小到 100 nm，从而导致光学模式限制较弱。图3 (d) 显示了所有拟合共振的内在质量因子的直方图，平均值为 320 万。从较短波长到较长波长的消光比首先增加然后减小。为了确保准确性而不高估内在质量因素，我们在耦合不足的假设下转换了所有测量结果。然而，值得注意的是，在较长波长下，本征 𝑄Q 由于过度耦合条件，可能会更高。

为了准确估计腔品质因数，使用电光调制器（EOM）来生成光学边带，充当频率标尺[ 39 , 40 ]。图4 (a) 显示了实验装置，其中由射频源驱动的光纤耦合相位调制器在探针激光器上生成正弦相位调制信号，从而在频域中产生边带。这些边带与原始信号的距离为校准频率的 x 轴提供了尺度。最初，在相位调制“关闭”的情况下测量谐振，如图4 (b) 所示。随后，如图4 (c) 所示，通过光纤耦合 EOM (AZ-OK5-20-PFA-PFA-UL) 在 800 MHz 频率引入 RF 调制后，传输频谱中出现两个 1.6 GHz 相距的凹陷。）。利用这些边带作为参考点，如图4 （d）所示，校准x轴，确定线宽，并在没有微波驱动的原始谐振中计算Q值。通过这种校准方法，我们得到了射频校准的内在Q值430万，这与之前建立的内在Q值420万非常吻合。

图 4. (a) 通过光边带调制评估谐振品质因数的测量装置。FPC：光纤偏振控制器，PD：光电探测器。(b) 应用微波驱动之前的共振剖面。(c) 在相位调制器上的 800 MHz 微波驱动（驱动功率为 20 dBm）的影响下，(b) 产生的谐振。(d) 校准后的谐振曲线，导出的内在品质因数为 430 万，负载品质因数为 250 万。

表1比较了不同波长的基于蓝宝石的光子平台的最新进展，其中包括蓝宝石上的 AlN [20、21、32 ] 、蓝宝石上的 GaN [ 33 – 35 ]、蓝宝石上的 LN [ 37 ]、蓝宝石上的 AlGaAs [ 36 ]、和蓝宝石上的硅[ 38 ]。如表1所示，我们的蓝宝石平台上的 SiN 表现出最高的内在品质因数（560 万）和最低的传播损耗（0.12 dB/cm）。

表 1.蓝宝石支撑平台上光子波导的性能比较

4。结论

总之，我们展示了具有低损耗 SiN 波导芯的高质量可见光波段环形谐振器，实现了 560 万的卓越内在品质因数和与顶部包层的 35% 重叠系数。这种基于蓝宝石的方法标志着低损耗可见光子学领域的重大进步，有效地缩小了集成能力方面的关键差距，并促进了紧凑、高效可见光子学器件的创建。