在这项工作中，我们展示了一种新颖的光子学平台，对于任何可以从操纵短波长光中获益的领域都具有深远的意义。通过实现 III-V 族元素与 SiN 的直接耦合，硅光子学的波长范围可以扩展到绿光波长（利用可在 GaAs 衬底上直接生长的增益材料 (GaP、InGaP、AlGaAs)），通过加入 GaN 基材料，可以扩展到蓝光、紫光和紫外光范围。利用我们最近展示的超低损耗 SiN 波导 [12]，也有可能在这些波长下生产高性能 PIC。通过采用高 Q SiN 腔，还可以在此平台上实现完全集成的非线性系统，例如微梳源 [48, 49]、受激布里渊激光器 [50] 和强频率转换系统 [51]。由于这种集成策略的灵活性，其他材料（例如 LiNbO3、AlN、SiC 和 AlGaAs）可以间歇地用作无源波导的介质，这可以进一步丰富集成光子学的工具箱。
这种新型全集成 PIC 系列具有宽波长覆盖范围、多功能性和高性能，有可能改写光子学应用的版图。在原子物理学中，短波长 PIC 将支持片上原子钟和利用囚禁离子量子比特的量子计算 [14]。借助涵盖从可见光到电信的广阔波长范围的平台，可以设计相干链路来支持跨倍频程的自参考系统（用于时间频率计量 [52]）和量子通信中的可见光-电信纠缠 [53]。在消费市场，这项技术也将创造许多新的机会。该平台出色的高温性能将放宽光子器件的冷却要求，为数据中心和光子计算提供节能解决方案。通过将可见光下的高度相干光源与低损耗光学相位阵列 [54] 相结合，III-V/SiN 异质光子学平台有可能从 AR/VR 设备中移除笨重的镜头成像系统，使其更轻、更节能。
最后，由于该平台的制造与生产异质 III-V/Si 光子学的现有光子代工厂兼容，我们预计该技术将很快被采用用于更大规模的大批量生产。由于绝缘体上 SiN (SiNOI) 的材料成本低于绝缘体上硅 (SOI)，这一发展将使 III-V/SiN 在经济上优于现在无处不在的 III-V/Si，从而降低整个行业的成本并真正彻底改变集成光子学。
本文采用的工艺为
先沉积氮化硅，
然后在氮化硅上做波导
在衬底上长三五族外延层
外延层采用键合的方式键合到氮化硅晶圆上
衬底的去除
在外延层上加工结构
划重点
从目前我们看到的
单材料波导平台：sicoi,lnoi,ltoi,InGaPOI
异质集成平台：sin/soi-lt/ln
三五和无源波导集成平台：inp/gaas-soi/sin
上述三种平台无疑都用到了先进的键合设备，表面活化键合（键合气泡少，可用面积多）和D2W键合，同时上述两种设备技术较为先进，采购价格较贵（几百到上千万），国内很多平台，单位，学校都还没有，因此我们可以看到，欧洲和美国在光子学异质集成光子学领域创新层出不穷，同时也出现了很多基于异质集成光子学技术的初创企业，国内也有一部分异质集成光子学企业，但大多也为国外归国人才创建。
为了解决这个问题，(表面活化键合和D2W芯片对晶圆键合，尤其适用无源波导上异质集成三五族激光器)
小编为大家提供多材料（InAlAs,Inp,InGaAs,inp,gaas,铌酸锂，晶体，碳化硅，磷化铟，砷化镓，钽酸锂，碳化硅，氮化镓，砷化镓，氮化硅，等等等等）和多材料键合加工，离子注入，抛光煎薄的全流程 全产线，自主可控复合衬底加工，您收到我们的衬底后，可以基于自己单位的平台进行后道的刻蚀工艺的开发。
同时可以提供两类工艺
键合可以亲水键合+退火或者室温表面活化键合+改性层或者D2W芯片和晶圆键合
薄膜层的获取可以通过smartcut离子注入（厚度控制精准，膜层有损伤）+退火cmp或者机械减薄+cmp（厚度控制不精准，但是膜层没损伤）
三五外延衬底层的去除可以使用湿法工艺去除，基于此平台，您可以做
多材料间的异质集成创新，
如果想要了解更多可以联系小编
摘要
集成光子学对现代社会的广泛技术产生了深远影响。在芯片上制造完整光学系统的能力提供了无与伦比的可扩展性、重量、成本和功率效率。在过去十年中，从纯 III-V 材料平台到硅光子学的发展通过将集成激光器与商业电子行业的大批量、先进制造能力相结合，大大拓宽了集成光子学的范围。然而，尽管具有显着的制造优势，但对硅基波导的依赖目前限制了光子集成电路 (PIC) 可用的光谱窗口。在这里，我们通过将 III-V 材料与 Si 晶片上的氮化硅 (SiN) 波导直接结合在一起，展示了新一代集成光子学。利用这项技术，我们展示了第一款波长短于硅带隙的全集成 PIC，展示了包括激光器、光电探测器、调制器和无源器件在内的基本光子构件，它们全部工作在亚微米波长。利用这个平台，我们在短波长的集成激光器中实现了前所未有的相干性和可调谐性。此外，通过利用这种更高的光子能量，我们展示了卓越的高温性能，并首次在高温下实现了 kHz 级基本线宽。鉴于短波长的众多潜在应用，这种集成策略的成功开启了一系列新的集成光子学应用。
简介
集成光子学在过去二十年中取得了快速发展，其发展中最关键的一步是新型集成平台的出现（图 1a）。最早的光子集成完全基于原生基板上的 III-V 材料[1]。使用晶格匹配的外延层，有源和无源光子元件组合在芯片上形成光学系统。这种方法导致了第一代商业上可行的通信光子技术，并推动了传感和微波光学应用的最初发展。从那时起，电子行业的扩张极大地提高了半导体制造的质量，集成光子学从这些进步中受益，从而实现了硅光子学 (SiPh) 的大规模应用。虽然 III-V 制造没有随着硅的快速发展，但可以通过以各种不同的方式异质键合 III-V 外延，在大规模绝缘体上硅 (SOI) 晶片上制造 PIC [2]。利用成熟的 CMOS 代工厂基础设施，SOI 集成光子学平台可大幅降低光子芯片的规模成本。推动集成光子学发展的另一个关键因素是低无源波导传播损耗。
由于 SOI 波导的传播损耗比 III-V 波导 [3] 低一个数量级，SiPh PIC 可以容纳更多单个组件，从而支持更复杂的光子系统。此外，较低的损耗可提高无源结构和相干光源的性能。利用这些优势，加上成本降低和大规模生产，SiPh 在过去几年中实现了爆炸式增长，开辟了从神经网络 [4] 到激光雷达 [5] 再到量子光子学 [6] 的大量新应用。
然而，随着应用范围的扩大，SOI 平台的局限性开始显现。其中一个限制来自硅的带隙波长，约为 1.1 µm（图 1b）。低于此波长的 SOI 波导吸收性很强。因此，紫外线、可见光和相当一部分近红外光目前无法被最先进的集成光子学所利用。这一限制是阻碍原子物理、增强现实 (AR)/虚拟现实 (VR)、生物传感和量子通信等领域的片上解决方案的瓶颈 [14–20]，如图 1b 所示。
图 1. 全集成光子平台。a. 全集成光子平台的演变：纯 III-V 族平台依靠
多次外延再生长来结合有源和无源结构；SOI 上的异质 III-V 族需要两个键合程序，即“智能切割”方法用于产生集成 Si 薄膜和 III-V 键合以将 III-V 族外延层从原生衬底转移到 SOI 上；SiN 上的异质 III-V 族平台仅需要 SiN 直接沉积来集成 SiN 薄膜，并且仅需要一次晶圆键合工艺来添加 III-V 层。b. 全集成 PIC 的光谱覆盖范围：方框表示基于不同材料（InP [7]、GaAs [8]、Si [9, 10]、SiN [11–13]）的无源平台的透明窗口，可用于全集成 PIC，点表示这些无源波导上的最新损耗，晶圆标记尺寸表示代工厂中当前的最大晶圆规模。上方的图标表示全集成 PIC 在光谱图上的应用。紫色图标表示现有全集成 PIC 和新 III-V/SiN 平台均可实现的应用；蓝色图标表示异构 III-V/SiN 平台实现的新应用。
解决此问题的一种有希望的方法是使用氮化硅 (SiN) 实现无源结构，氮化硅是另一种带隙波长低于 300 nm 的 CMOS 兼容材料 [21]。除了支持短波长外，SiN 波导在电信波长下表现出 < 0.1 dB/m 的损耗 [13, 22]，并且在低至 460 nm 时仍保持散射限制 [12]，这使得它们对超高 Q 微腔、窄线宽激光器和集成非线性设备（如微梳源和片上频率转换器）具有吸引力。此外，由于 SiN 晶圆是通过在 Si 基板上直接沉积生产的，因此它们不需要任何昂贵的智能切割工艺，这意味着有机会进一步降低代工厂制造 PIC 的成本，增加规模，从而进一步扩展光子学应用空间。
然而，直到最近，有源元件到 SiN PIC 的集成一直受到 SiN（≈2）和 III-V 材料（>3）之间较大的折射率失配的阻碍。SiN 和 III-V 结构已集成在同一衬底上，以在电信波长下形成高度相干的激光源，但这种集成依赖于中间 Si 层进行被动-主动转换，这仍然阻碍了短波长操作 [23, 24]。
在目前的研究中，我们报告了新一代集成光子学，通过在异质集成的 III-V/SiN 平台中直接桥接主动和被动元件。在这个集成方案中，我们展示了第一个使用亚微米波长的完全集成光子平台，它提供了多功能的构建块，包括激光器、半导体光放大器 (SOA)、调制器、光电探测器和各种无源元件。III-V 增益部分与 SiN 外部腔的组合产生了第一个异质集成、窄线宽、宽调谐激光器，工作在 Si 的带隙波长以下，这种设备对原子物理、传感和精密计量具有重大影响。此外，短波长平台在相干光源中表现出优异的高温性能，可用于提高数据中心和其他高温环境中的能效。这种新型集成光子平台在学术界和工业界都具有众多潜在用途，为许多新应用打开了大门，并预示着新一代集成光子技术的到来。
SiN 光子学平台上的异质集成 III-V
图 2. 氮化硅异质光子学平台，具有支持亚微米波长的全套无源和有源构建块组件。a. 简化的晶圆级工艺流程。所示步骤：(i) 在热氧化 Si 衬底上沉积 SiN；(ii) SiN 波导图案化；(iii) 多个 III-V 外延结构的键合；(iv) 去除 III-V 外延的衬底；(v) III-V 处理，包括多个干/湿蚀刻以形成有源器件的 p-n 结；(vi) 介电包层沉积、通孔蚀刻和金属化，完成器件制造。b. 包含数千个器件的完全处理的 4 英寸晶圆的照片。c. (i) SiN 波导 (ii) 波导耦合器 (iii) III-V 波导和有源元件电触点 (iv) 通过 SiN 波导连接的激光器和光电二极管阵列的 SEM 图像。d. 单芯片上制造的全集成原子钟系统的设想示意图 e. 平台支持主动和被动功能，
具有特征性能。FP 激光器。集成宽带镜的法布里-珀罗激光器，其电流阈值小于 12 mA，输出功率超过 25 mW，可输出至 SiN 波导。SOA。半导体光放大器，在 980 nm 处的最大增益为 22 dB，偏置电流为 100 mA。100 mA 时增益的 3 dB 带宽跨越 20 nm。被动波导。在 900-980 nm 波长范围内具有低于 dB/cm 传播损耗的 SiN 波导。调制器。马赫-曾德干涉仪，相位调制器显示 Vπ=2.4 V 和 >20 dB 消光比。PD。光电二极管，在 980nm 处具有 >0.6 A/W 响应度和 nA 级暗电流。
异质 III-V/SiN 光子器件由结合在 SiN 波导顶部的基于 III-V 的外延层结构组成。图 2a 显示了 III-V/SiN 异质光子器件的简化制造工艺流程。硅衬底经过热氧化，形成适合波导包层的 SiO2 基层。接下来，用光刻步进系统沉积和图案化 SiN 薄膜，然后进行干蚀刻以形成无源波导结构。通过优化的分子键合工艺，将 III-V 外延直接键合到氮化物晶片上。然后通过机械抛光和选择性湿蚀刻去除 III-V 衬底，然后继续 III-V 工艺以形成有源组件。沉积一层覆盖电介质，形成 SiN 和 III-V 波导的顶部包层，以及金属部分之间的绝缘体。最后，打开通孔并沉积金属焊盘以形成与设备的电接触。图 2b 显示了在 4 英寸硅基板上制造的数百个激光器的完整晶圆的照片。扫描电子显微镜 (SEM) 图像（图 2c (i-iv)）分别显示了单个 SiN 波导、耦合器、一侧带有 III-V/SiN 耦合器的 III-V 波导以及通过 SiN 波导与光电二极管阵列连接的激光器阵列。
该平台的一个基本特征是 III-V 和 SiN 波导之间的有效光耦合。由于 III-V 材料的折射率比 SiN 大，因此 III-V/SiN 异质波导的光学模式完全局限于 III-V 层。这是与典型的 III-V/Si 异质波导的根本区别，在典型的 III-V/Si 异质波导中，Si 和 III-V 的相似折射率使光学模式可以在两种材料中混合 [25]。因此，通常基于衰减场的绝热耦合方案虽然非常适合 III-V/Si 光子学，但并不适用于 III- V/SiN。对接耦合是一种广泛用于传统光学的非绝热方法，在这种情况下具有优势。然而，有效的对接耦合需要耦合波导之间有最大的空间重叠，这在晶圆级异质集成平台中是无法实现的，因为结合在一起的 III-V 和 SiN 层不能垂直对齐。为了解决这个问题，我们引入了一种新颖的单 III-V/SiN 耦合器结构，它利用了上述两种耦合方案。III-V/SiN 耦合器是通过在 III-V 和 SiN 波导之间图案化介电包层形成的中间波导。一方面，中间波导的几何形状针对与 III-V 波导的对接耦合进行了优化，另一方面，针对与 SiN 波导的绝热衰减耦合进行了优化。该过程在 [26] 中进行了更详细的描述。第一代耦合效率已达到 70%，通过优化设计，可实现 90% 的效率 [27]。
该平台通过直接结合 III-V 和 SiN，将多种功能整合到一个完全集成的短波长 PIC 生态系统中。图 2d 显示了用于集成原子钟系统的拟议集成 PIC，该系统可以通过该平台上演示的构建块实现（见图 2e）。我们在这里描述了在 980 nm 左右运行的设备以说明这些功能。所有必要的有源光子元件都已实现。法布里-珀罗 (FP) 激光器由背面近 100% 的环形镜和正面 10% 的镜组成，可提供基本光源。它们表现出 12mA 的低阈值电流，而输出功率和斜率效率分别超过 25mW 和 0.38 W/A；由于 PIC 中的元件数量和复杂性不断增加，具有超过 22dB 光增益和 20 nm 3-dB 带宽的集成半导体光放大器 (SOA) 是损耗补偿的关键元件。这一元件在通信和传感等应用中尤为重要，因为信噪比 (SNR) 是这些应用中的重要指标。对于光子检测，光电二极管 (PD) 表现出超过 0.6A/W 的响应度、80% 的量子效率和 nA 级暗电流。将这种高性能 PD 与其他元件直接集成对于量子应用而言具有无价的价值，因为它可以直接读出光信号而不会产生 I/O 耦合损耗。我们还展示了 Vπ 仅为 2.4 V 的移相器和消光比超过 22 dB 的 Mach-Zehnder 调制器，它们可用于对通信信息进行编码 [28]、创建用于 PDH 锁定的边带 [29] 或操纵原子状态 [30]，它们可由 CMOS 驱动器直接驱动。与 III-V 有源元件相辅相成的是 SiN 无源波导，实现了亚 dB/cm 传播损耗，最低可达到 0.3 dB/cm 以下。同样值得注意的是，我们最近开发的超低损耗 SiN 波导 [12, 22] 将来将用于此平台，它可以进一步将波导损耗降低两个数量级。
超越硅带隙的集成相干激光器
利用异质光子学，可以将低损耗无源波导与光学多功能有源材料集成在一起。例如，在电信频段，低损耗硅波导已与 InP 基光学增益材料配对，以产生集成窄线宽激光器 [31]。在目前的研究中，通过将高质量 SiN 无源器件与短波长 III-V 增益介质结合在一起，我们的平台首次提供了超越硅带隙极限的类似能力。
作为概念验证，提出了一个工作在 980 nm 的集成激光器，它由 GaAs 增益区和 SiN 外腔组成。图 3b 显示了激光器的原理图设计，其后镜由两个环形谐振器组成，以加-减配置在环路内级联。每个环形谐振器在波长域中形成一个梳状物，相邻的梳状线由一个自由光谱范围 (FSR) 隔开。如图 3a 所示，通过选择环的半径，使两个梳状物的 FSR 略有不同，双环镜反射光谱（这两个梳状物的乘积）是一个游标梳状物，它只有一个主梳状线，两个单独的梳状线在该梳状线上对齐。除了游标可调环形镜外，激光器还具有相位调谐元件和片上监测光电二极管。激光器的输出功率在增益峰值附近大于 10 mW，如图 3c 中的 LI 曲线所示，其中测量功率时波长保持在 976.5 nm 左右。对于 75 mA 的固定增益电流，测量的功率输出在整个波长范围内高于 6 mW。
如图 3b 所示，可扩展、紧凑的 III-V/SiN 异质激光器的占地面积小于 1 mm2，在短波长范围内具有广泛的应用价值 [32]。一个重要的例子是原子物理学。目前，精密的原子冷却和探测系统主要依赖于体积庞大的光源，例如外腔二极管激光器 (ECDL)，这些光源不易大规模生产 [33, 34]。本文描述的 III-V/SiN 异质激光器的性能可与 ECDL 相媲美，但外形尺寸却与完全集成的设备相当。图 3e 显示了使用延迟自外差装置和互相关技术测量的 980 nm 波长处激光噪声的双面功率谱密度 (PSD)（参见方法）。频谱主要由半导体激光器中常见的低偏移频率范围内的 1/fx 噪声主导。在约 30 MHz 偏置频率下，白噪声底线达到 450 Hz2 /Hz，对应基本线宽为 2.8 kHz，这是在 Si 带隙波长以下工作的全集成激光器中创下的最低线宽记录。以前的集成纯 III-V 族激光器的基本线宽（通常在 100 kHz 以上 [3]）比许多原子跃迁线宽更宽 [35,36]，而本文介绍的 III-V/SiN 异质激光器通过基于低损耗 SiN 环形谐振腔的镜子显著降低了噪声，从而可以实现那些窄线原子跃迁。如图 3f 所示，III-V/SiN 异质激光器还表现出良好的幅度噪声性能，在偏置频率接近 2 GHz 的弛豫振荡共振之外，相对强度噪声 (RIN) 低于 -155 dB/Hz（测量工具的噪声底线）。
除了窄线宽和低噪声之外，Vernier 激光器设计的另一个关键特性是其宽调谐性，这在之前的短波长集成光子学中是不具备的。由于只有窄调谐能力，产生特定波长（例如针对原子跃迁）需要严格的制造公差。将微型加热器放置在环形谐振器顶部，可以利用热光效应来调谐每个环的梳状物，将 Vernier 位置移动到所需波长。这种简单的 Vernier 梳状原理提供了一种获得可重构片上光学滤波器的机制——这是宽调谐激光器的关键。图 3h 显示了通过以 1nm 为增量粗调波长测得的激光光谱，表征温度为 25°C。每一步的光谱都是在调节环和相位调谐器以使监测光电二极管的光电流最大化后获取的。调谐范围约为 20 nm（相当于约 6 THz），主要受 980 nm 量子阱的增益带宽限制。激光边模抑制比 (SMSR) 在整个调谐范围内大于 35 dB，当激光波长位于增益峰值附近时接近 50 dB，如插图所示。激光波长可以在很宽的范围内重复步进，而不会牺牲 SMSR，如图 3i 所示，其中 y 轴显示激光激光波长随时间的变化，点颜色表示激光6模式的 SMSR。
除了宽调谐外，当将激光锁定到高 Q 腔或原子跃迁时，通常需要在较小范围内进行连续微调。在另一个新兴应用 FMCW 激光雷达系统中，连续频率啁啾的范围决定了检测的准确性 [37]。如图 3k 所示，只需扫描相位调谐器，我们的激光器便可支持 8 GHz 的无跳模调谐范围。请注意，通过同时调谐环和相位部分，可以实现更大的无跳模调谐范围 [38]。如图 3l 所示，激光器的频率也可在几 GHz 范围内非常精确地控制。
短波长 PIC 的高温优势
集成光子学面临的一个主要挑战是主动冷却的要求。由于二极管激光器的性能在高温下会下降，因此必须冷却 PIC 以保持性能，这对数据中心的功耗贡献巨大，而数据中心的功耗占人类总功耗的 1% 以上 [40]。激光器的热性能下降是由于温度升高时载流子的费米分布扩散更广导致的增益降低 [41] 以及通过各种机制造成的辐射载流子的损失，特别是包括异质势垒上的载流子泄漏 [42]、俄歇复合 [42,43] 和价带间吸收 [44, 45]（图 4a），这三种机制都随温度呈指数增加。在提到的三种载流子损失机制中，俄歇复合和价带间复合都随材料带隙呈指数下降 [42, 45]。因此，与目前大多数电信应用中使用的长波长激光器 (>1.2 µm) 相比，短波长激光器 (<1 µm) 受这些非辐射损耗过程的影响要小得多。此外，用于近红外至可见波长激光器的 GaAs 衬底上生长的材料系统具有比长波长 InP 系统更大的导带偏移，从而产生更高的量子阱势垒，因此在高温下具有更好的载流子限制 [42]。由于上述影响的综合作用，短波长光子平台有望表现出优异的高温性能 (图 4b)，仅通过被动冷却即可显著降低功耗。
为了研究热性能，我们的异质 III-V/SiN FP 激光器在 25。C 至 185。C 的温度下通过 LI 测量进行了表征，如图 4c 所示。连续波激光发射温度高达 185 摄氏度，这是迄今为止所有集成在硅芯片上的激光器中最高的工作温度，明显高于之前的记录（150 摄氏度）[39]。
短波长 PIC 的高温优势
集成光子学面临的一个主要挑战是主动冷却的要求。由于二极管激光器的性能在高温下会下降，因此必须冷却 PIC 以保持性能，这对数据中心的功耗贡献巨大，而数据中心的功耗占人类总功耗的 1% 以上 [40]。激光器的热性能下降是由于温度升高时载流子的费米分布扩散更广导致的增益降低 [41] 以及通过各种机制造成的辐射载流子的损失，特别是包括异质势垒上的载流子泄漏 [42]、俄歇复合 [42,43] 和价带间吸收 [44, 45]（图 4a），这三种机制都随温度呈指数增加。在提到的三种载流子损失机制中，俄歇复合和价带间复合都随材料带隙呈指数下降 [42, 45]。因此，与目前大多数电信应用中使用的长波长激光器 (>1.2 µm) 相比，短波长激光器 (<1 µm) 受这些非辐射损耗过程的影响要小得多。此外，用于近红外至可见波长激光器的 GaAs 衬底上生长的材料系统具有比长波长 InP 系统更大的导带偏移，从而产生更高的量子阱势垒，因此在高温下具有更好的载流子限制 [42]。由于上述影响的综合作用，短波长光子平台有望表现出优异的高温性能 (图 4b)，仅通过被动冷却即可显著降低功耗。
为了研究热性能，我们的异质 III-V/SiN FP 激光器在 25。C 至 185。C 的温度下通过 LI 测量进行了表征，如图 4c 所示。连续波激光发射温度高达 185°C，这是迄今为止所有硅片上集成激光器中最高的工作温度，明显高于之前的记录（150°C）[39]。高达 90°C 的阈值电流可以用特征 T0 为 148 K 的指数模型很好地描述（图 4d），这与原生衬底上激光器中最好的热性能相当[46]。在 85°C 下，测得的 80 mA 功率和斜率效率为 12.5 mW 和 18.1%，而室温下分别为 14.5 mW 和 16.7%，这表明最大功率仅下降 14%，斜率效率提高 8%。此外，80°C 时激光阈值电流仍低于 20 mA。
这种高温性能还为 FP 激光器提供了超宽的频率调谐范围，而无需依赖任何外部光子结构。光谱测量表明，激光波长窗口以 0.33 nm/K 的速率显着红移，最大激光波长在 185 C 时为 1044.5 nm，因此覆盖范围超过 50 nm，如图 4e-f 所示。
除了简单的激光之外，III-V/SiN 异质平台还首次展示了高温下的集成窄线宽激光器，这极大地有利于许多应用，包括数据中心的相干通信、遥感或恶劣环境中的计量。基于环形谐振器的可调谐激光器（类似于上一节中讨论的激光器）进行了表征。相位噪声测量在 35。C 至 145。C 的温度下进行（参见方法）。测得的最佳整体基本线宽为<7 kHz，在145。C 时测得的线宽为<10 kHz。仅观察到最小的线宽衰减（见图 4e）。值得一提的是，在同一衬底上集成 III-V 和 SiN 可确保增益和外腔之间的稳固耦合，而不受温度影响。其他线宽缩小方法，例如采用芯片对芯片对接耦合的混合集成 [22, 47]，由于在如此宽的温度范围内热膨胀不匹配，会遭受不同衬底之间的位置错位。
讨论
在这项工作中，我们展示了一种新颖的光子学平台，对于任何可以从操纵短波长光中获益的领域都具有深远的意义。通过实现 III-V 族元素与 SiN 的直接耦合，硅光子学的波长范围可以扩展到绿光波长（利用可在 GaAs 衬底上直接生长的增益材料 (GaP、InGaP、AlGaAs)），通过加入 GaN 基材料，可以扩展到蓝光、紫光和紫外光范围。利用我们最近展示的超低损耗 SiN 波导 [12]，也有可能在这些波长下生产高性能 PIC。通过采用高 Q SiN 腔，还可以在此平台上实现完全集成的非线性系统，例如微梳源 [48, 49]、受激布里渊激光器 [50] 和强频率转换系统 [51]。由于这种集成策略的灵活性，其他材料（例如 LiNbO3、AlN、SiC 和 AlGaAs）可以间歇地用作无源波导的介质，这可以进一步丰富集成光子学的工具箱。
这种新型全集成 PIC 系列具有宽波长覆盖范围、多功能性和高性能，有可能改写光子学应用的版图。在原子物理学中，短波长 PIC 将支持片上原子钟和利用囚禁离子量子比特的量子计算 [14]。借助涵盖从可见光到电信的广阔波长范围的平台，可以设计相干链路来支持跨倍频程的自参考系统（用于时间频率计量 [52]）和量子通信中的可见光-电信纠缠 [53]。在消费市场，这项技术也将创造许多新的机会。该平台出色的高温性能将放宽光子器件的冷却要求，为数据中心和光子计算提供节能解决方案。通过将可见光下的高度相干光源与低损耗光学相位阵列 [54] 相结合，III-V/SiN 异质光子学平台有可能从 AR/VR 设备中移除笨重的镜头成像系统，使其更轻、更节能。
最后，由于该平台的制造与生产异质 III-V/Si 光子学的现有光子代工厂兼容，我们预计该技术将很快被采用用于更大规模的大批量生产。由于绝缘体上 SiN (SiNOI) 的材料成本低于绝缘体上硅 (SOI)，这一发展将使 III-V/SiN 在经济上优于现在无处不在的 III-V/Si，从而降低整个行业的成本并真正彻底改变集成光子学。
方法
噪声特性
使用 1 公里延迟线和马赫-曾德干涉仪相对臂上的 Brimrose TEM-110-10-55- 980-2FP AOM 进行延迟自外差相位噪声测量。两个输出信号被发送到 Newport 1801 低噪声光接收器，并使用 Tektronix 5 系列混合信号示波器记录以进行互相关分析，如 [55] 所示。在测量过程中，所有激光输入和测量阶段的热电冷却器（见下文）均由 Lightwave ILX LDX-3620B 超低噪声电池电流源控制。
高温测量
高温测量阶段由四个阶段组成：加热器、散热器、热电冷却器和测量阶段。此外，还使用了聚酰亚胺胶带以减少热量流向空气，并增加了一个铝制罩状结构以保护被测设备免受气流的影响。使用 Vescent SLICE-QTC 控制器和 EPCOS-TDK B57540G1103F005 热敏电阻（位于平台和散热器中）来监测温度。使用经过校准的 Newport 819C-UV-5.3-CAL 积分球测量输出功率。使用横河 AQ6374 光谱分析仪测量光谱来确定激光波长。
