Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

简介

对高速数据传输和低功耗的需求不断增长，推动了紧凑型高性能光子集成电路 (PIC) 的发展。虽然利用 CMOS 代工技术在基于硅波导的光子组件和电路方面取得了重大进展，但由于硅的间接带隙特性，将高效片上光源与硅集成仍然是一项挑战。

基于 III-V 增益材料的半导体激光器因其直接带隙特性而被证明是理想的激光源。然而，将这些激光器与硅基光电子技术整合在一起却面临着重现性、可扩展性、高效耦合和激光性能等方面的挑战。单片集成、异构集成和混合集成是目前探索的三种主要方法，每种方法都有各自的挑战。

在本教程中，我们将讨论Lukas Chrostowski教授团队最新发表使用光子引线键合（PWB）技术的新型混合集成方法，可以解决传统集成方法面临的许多挑战 [1]。本文将指导完成设计、制造和组装过程，以及集成半导体激光器和光电链路的表征。

图 1. 展示一个完全组装好的三维芯片，其中包含一个通过锡金预型件粘合到深沟中的 DFB 激光器，并通过光子线粘合连接到一个硅表面耦合器。显微镜和扫描电子显微镜图像显示了 DFB 激光器和光子电路之间的接口，突出显示了光子线键合的粗糙中间部分及其在表面耦合器边缘的非常规键合。制造过程包括制备埋有氧化层和硅波导层的硅衬底、沉积电子束和光刻胶并将其图案化、蚀刻以形成硅图案和无源波导器件层、为 DFB 激光器创建深沟槽，然后进行金属沉积，最后形成图案化沟槽和器件层。

光电链路设计

集成过程的第一步是设计光电链路。在这项研究中，设计了使用波导布拉格光栅（WBG）的法布里-珀罗（FP）腔阵列，以测试集成分布式反馈（DFB）激光器的性能。设计目标是在 DFB 激光器的工作波长范围内创建共振峰，以便使用扫频激光（SFL）方法鉴定电路。

设计过程包括使用 MODE、FDTD 和传输矩阵法 (TMM) 等工具进行模拟，以优化波导尺寸、布拉格周期、周期数和腔长。模拟的目的是在所需波长范围内实现具有高质量系数的共振峰。

图 2 展示了基于 WBG 的 FP 腔体示意图和布局设计概念。设计还包括不带布拉格光栅的简单波导，以便直接测量激光输出。

图 2. 展示基于 WBG 的 FP 腔体示意图，详细说明了其布局，包括通过 Y 型分光树从片上激光器输入的部分，以及用于传输和反射的端口。图中显示了包括所有器件在内的整个光子电路布局，以及单个电路组中三个电路的详细视图。每个电路组都可以通过耦合光栅耦合器（GC）与 8 通道光纤阵列（FA）和外部探测器进行测量，从而同时捕捉布拉格谐振器的反射和透射光谱。

制造和组装过程

制造过程结合了电子束光刻和光学光刻技术。电子束光刻技术对硅器件层进行图案化，而光学光刻技术则为激光器的放置创建深沟。

图 1(c) 概述了分步制造流程，包括：

1. 在绝缘体上硅（SOI）基底上沉积电子束抗蚀剂（ZEP 520A）并对其进行图案化。

2. 电感耦合等离子体 (ICP) 刻蚀，去除暴露的硅，形成无源波导器件层。

3. 光刻制图和深反应离子蚀刻 (DRIE) 以创建用于激光贴装的深沟。

4. 通过升华、沉积附着层（钛）和金进行金属化。

制作完成后，将芯片切割，使用锡-金（Sn-Au）预型件将 DFB 激光器芯片焊接到深沟中。如图 1（a）和（b）所示，然后使用光子接线器通过三维打印的聚合物波导将激光面与硅表面耦合器连接起来。

集成激光器的表征

为了确定集成激光器的特性，进行了功率-电流-电压（L-I-V）测量。图 3 显示了片上 DFB 激光器的 L-I-V 特性曲线，以及单独组装的 DFB 激光器与光纤的线结合曲线。电压-电流（V-I）曲线符合制造商的规格要求，证明了集成的成功。

图 3. 描述两种配置下激光器的 L-I-V 曲线： PWB 至光纤（红色）显示约 7 mA 的阈值，输出功率为 mW；通过光栅耦合器 (GC) 的 PIC（黑色）显示约 10 mA 的阈值，输出功率为亚 nW。这两种设置都是在 25°C 阶段温度下测量的，在 Ith + 20 mA 电流下共享最大 1.6 V 工作电压，符合制造商的规格要求。

扫频激光器 (SFL) 校准

为了将集成激光器用作 SFL，作者开发了一个校准模型，以建立注入电流与发射波长之间的关系。通过将注入电流扫频到激光器阈值以上，并使用光学频谱分析仪（OSA）测量输出频谱，就能确定通过自加热实现的波长可调谐性。

图 4(a) 显示了不同注入电流下的光学光谱，波长调谐范围约为 0.42 nm。如图 4（b）所示，对实验数据进行了三阶多项式拟合，以绘制校准曲线，用于在 SFL 测量期间将注入电流转换为波长。

图 4. 展示片上 DFB 激光器的电流-波长校准，突出显示了其在不同注入电流、平台温度保持在 25°C 时的性能。它包括不同电流下的光学输出光谱，展示了由光学光谱分析仪（OSA）测量的 GC 输出光谱。校准图显示了中心发射波长随注入电流的变化，显示了 25 mA 至 50 mA 范围内 0.42 nm 的波长调整范围。在两天内进行的 163 次扫描中，每个点的 OSA 测量结果都证明了数据的一致性。三阶多项式拟合捕捉到了波长与电流的非线性关系，并提供了精确系数和近乎完美的 R^2 0.99，表明了紧密的相关性。

 光电链路表征

校准后的 SFL 系统用于鉴定芯片上的光电链路。对基于 WBG 的 FP 腔的输出谐振峰进行了测量，并利用峰值的半最大全宽（FWHM）计算了其品质因数。

图 5(a) 显示了使用片上 SFL 和片外台式激光器测量的布拉格光栅谐振器输出。尽管片上测量过程中出现了热串扰，导致共振峰出现红移，但两种测量方法计算出的峰值品质因数不相上下。

布拉格光栅的模拟结果也与实验数据进行了比较。图6显示了在止带位置观察到的蓝移，以及模拟和测量之间在自由光谱范围（FSR）上的差异。扫描电子显微镜（SEM）图像证实，这些差异归因于制造过程中的不确定性，如圆形波纹边缘和埋入氧化层的过度蚀刻。

图 5. 展示使用片内 SFL 和片外 Keysight O 波段可调激光器分析的布拉格光栅谐振器输出。图 5 展示了使用片上 SFL 和片外 Keysight O 波段可调谐激光器分析布拉格光栅谐振器输出的情况。片上激光器的注入电流通过先前描述的拟合模型转换为波长，输出功率在激光器的整个扫描范围内归一化。通过洛伦兹拟合，确定片上激光器的品质因数约为 51500，与 35 mA（或约 1308.7 nm）的峰值一致，参数 P1=1.499e-4、P2=1308.67、P3=1.6103e-4、C=-0.0534，拟合精度 R^2=0.95 。采用相同的洛伦兹拟合模型和参数 P1=1.5310e-4、P2=1308.69、P3=1.5520e-4、C=-0.0136，片外激光测量的品质因数略高，约为 52500，峰值约为 1308.7 nm，拟合精度达到 R^2=0.99。

图 6. 显示通过台式激光测量观测到的 FP 腔的综合光谱，突出显示了止波带在 1290 nm 以下的位置。它比较了最初和修订后的整体光谱模拟模型，并列出了不同模拟的自由光谱范围 (FSR) 值和台式机数据。此外，45 度倾斜的扫描电子显微镜图像显示了对 BOX 层的过度蚀刻，以及布拉格光栅中出现的更多圆形波纹。

未来展望与结论

虽然测量结果表明半导体激光器和光电链路的集成和表征取得了成功，但仍有进一步改进和探索的空间。为激光电极连接引入电线键合，并在 PWB 上实施保护性包层，可以增强系统的稳定性，并减少灰尘积累等外部因素。

此外，研究晶圆级制造和装配工艺可为大规模生产和具有成本效益的集成扫清了障碍。热管理策略，如加入热隔离区或使用减薄 SOI 芯片，有助于减轻片上测量过程中观察到的热串扰。

本文概述光子引线键合技术将半导体激光器与硅基光电子技术进行片上混合集成的过程。涵盖了设计、制造、组装和表征过程，展示了这种方法在将高效光源与硅基光电子电路进行成本效益和可扩展集成方面的潜力。

参考文献

[1] Sheri Jahan Chowdhury, Kithmin Wickremasinghe, Samantha M. Grist, Hang Zou, Matthew Mitchell, Mohammed A. Al-Qadasi, Becky Lin, Davin Birdi, Shannon Smythe, Sudip Shekhar, Karen C. Cheung, and Lukas Chrostowski, "On-chip hybrid integration of swept frequency distributed-feedback laser with silicon photonic circuits using photonic wire bonding," Opt. Express 32, 3085-3099 (2024)