当前位置： 绝缘体 >> 绝缘体市场 >> 超越绝缘体上硅光子学
GaAs/AlGaAs晶体膜反射镜是一种CSOI结构
从SOI到CSOISOI的一个关键优势是能将高质量晶体膜集成在几乎任意基底上。由于晶体生长和键合过程相互独立，，晶体膜集成不受晶体生长条件限制。而且，硅和绝缘底层之间较大的折射率差便于更灵活地控制光波。但III-V族材料有望带来更多发展机遇。各种不同的多层晶体膜通过异质外延和带隙工程制备，其光学性质可远远超出局限性很大的单层SOI。外延III-V族材料的光学损耗能做到与最优介质材料的同等水平，因此适合用作高性能无源元件，比如干涉膜和波导。相比折射率调谐能力有限的硅，改变砷化物、磷化物和氮化物材料的成分可以调制膜层的折射率，并且保持单晶膜的优异性能。III-V族半导体还能提供有源电光功能。块体硅由于间接带隙而无法高效发光或提供光学增益，而且非线性效应弱。由于缺乏二阶非线性或普克尔效应，SOI不能实现高效频率转换或高速调制器，而且硅的较低带隙能量还导致高非线性损耗(双光子吸收)。因此，通过复合半导体外延生长和晶体膜转移技术相结合，先进光子器件将有更广阔的发展空间，远远超越当前SOI结构的潜能。
CSOI材料平台具有广阔的应用空间
表面法向光子学中的CSOI
表面法向光子学译自surface-normalphotonics。根据字面意思和相关的0°AOI晶体膜反射镜，这应该相当于正入射条件下的光子学。搜索surface-normal还可找到surface-normal调制器、surface-normal耦合器和surface-normal光互连等等。标准翻译敬请指教。
CSOI器件最早可追溯至Varian公司于年开发的玻璃上GaAs/AlGaAs光阴极。随后几十年里，很多团队研究薄膜转移和直接键合技术，希望以此将III-V族材料集成任意基底上，而EliYablonovitch及同事在年的研究成果带来了异质集成器件的持续发展。到年代初，CSOI为解决表面法向光子学的局限性提供了一种独特方案。这种器件的制作过程首先是单独生长GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射膜，然后转移到超抛光熔融石英基底上。这样就可将单晶干涉膜集成到任意光学表面上。这些技术能解决精密干涉计量长期面临的困境：热噪声。热噪声影响着世界上最先进的测量设备，使引力波探测器无法达到终极位移灵敏度，使光学原子钟的核心激光无法实现最小线宽。由于引力波探测器和光钟的核心光学元件要求高质量玻璃基底，因此GaAs/AlGaAs多层膜无法直接外延生长，而要通过转移技术集成在超抛光熔融石英基底上。由此制备的晶体膜反射镜比传统溅射介质膜反射镜的热噪声降低了10倍。由于晶体生长和膜层转移技术的优化，晶体膜反射镜的性能指标已能比得上甚至超过最好的溅射介质膜反射镜。生产只有几个ppm超额损耗(吸收加散射)的半导体超级反射镜目前已是常规操作，而Thorlabs现已提供近红外反射率超过99.%的标准产品，用它们能搭建最稳定的激光干涉仪。晶体膜反射镜、参考腔、腔衰荡光谱测量
世界上多个顶级研究团队正致力于通过晶体膜为室温和低温激光系统实现mHz级线宽，或者不断增加晶体膜直径(目前最大20cm)，使之能达到引力波探测器的尺寸要求。为了扩展波长范围，年维也纳大学成功研制了超额损耗低于10ppm的中红外晶体膜，这是任何其它镀膜技术都无法做到的。对于更短的可见光波段，用于锶晶格钟和环形激光陀螺仪应用的晶体膜反射镜目前处于开发阶段。
集成光子学：CSOI波导
就像晶体膜反射镜在自由空间光学的非凡成功，CSOI在集成光子学中也有众多优势。相比于生长在同质基底的III-V族光子学结构，CSOI结构能提供更大的折射率差，所以满足紧凑型器件的最基本要求。CSOI可灵活地优化色散和相位匹配条件。相比SOI波导，CSOI支持更多光学过程，比如光学增益、二阶非线性、普克尔效应、压电效应和声光效应。
AlGaAs三元合金是III–V族半导体材料在集成光子学的突出代表。由于优化的外延生长和带隙工程，AlGaAs固有的光学损耗可以很低，而且透明范围可以很宽(最低到nm)。这样就可在通信波段(和nm)实现无双光子吸收的工作。AlGaAs材料也表现出极强的二阶和三阶非线性效应，而且广泛用于光子学研究和半导体制造，可通过成熟的生长和处理技术促进平台发展和未来商用前景。用于集成光子学的AlGaAsCSOI结构(简称AlGaAsOI)最早由丹麦技术大学KrestenYvind团队在年成功研制。他们将单层AlGaAs转移到氧化硅基底上。虽然有多方面的优势，但由于波导损耗高，这种平台在集成光子学的应用前景开始并不被看好。高损耗也是限制III–V族光子学性能和可扩展性的重要瓶颈。但JohnBowers团队在年改变了现状。利用两种降低损耗的方法，即抑制散射损耗和表面缺陷钝化，AlGaAsOI波导的传播损耗降至与最好的SOI和很多介质平台相同的水平。因此，III–V族材料的优势得以利用，而且没有超额光学损耗的不利影响。
非线性光子学：效率跳升
低损耗AlGaAsOI波导为集成光子学带来新的机遇和应用空间，直接的影响是非线性光子学。由于AlGaAs材料比常用的光子材料具有更强的二阶和三阶非线性效应，因此AlGaAs器件能显著提高各种非线性过程的效率。
AlGaAsOI平台可实现的多功能光电器件
CSOI非线性器件突破的第一个纪录是在二次谐波产生(SHG)方面，通过高长宽比的波导结构实现。利用TE和TM波导模式的双折射补偿基波和二次谐波之间的色散，较大的折射率差因此能实现准相位匹配。加上巨大的χ?2?非线性，研究人员由此实现了创纪录的SHG效率，相比其它材料平台上的线性波导高出一个量级。低损耗AlGaAsOI还可用于另一种重要的非线性光子学结构：高Q值微环谐振腔。高达万的Q值已经实现，这比得上很多低损耗介质波导，比如绝缘体上铌酸锂或Hydex。但模式尺寸要小很多，因此非线性效率还可通过腔内共振光进一步提高。年，AlGaAsOI微腔以前所未有的低泵浦功率(20μW)产生了光梳，并能以低于1mW的泵浦功率得到几百条梳线。由于AlGaAsOI带来的非线性效率跳升，非线性光子学领域应能未来几年见证一场变革。用于非线性光学元件泵浦功率的急剧降低，加上AlGaAs与激光器直接集成的兼容性，这一切都为非线性PIC提供了一条有前景的路线。AlGaAsOI的透明波段从nm到10μm，因此支持宽带非线性频率转换或一个倍频程以上的中红外超连续产生。
从经典到量子
虽然集成光子学研发在经典技术路线上已经很有历史，但过去10年也见证了量子集成光路(QPIC)及相关应用的非凡发展，比如片上多光子干涉和量子逻辑门、芯片对芯片量子通信、集成离子阱系统的混合QPIC平台。这些方法大多利用硅光子学的晶圆加工能力，片上集成将近个组件实现可编程量子光网络。但随着QPIC复杂度和功能的不断发展，硅的局限性日益明显。这种材料缺少光学增益、也没有通信波段的光电探测器和其它高速有源组件，因此未来的混合QPIC要以一体式异质平台集成不同的材料。潜在的应用前景激励了很多其它QPIC平台的发展，包括碳化硅、铌酸锂、金刚石和III-V族材料。CSOI和硅基PIC在集成量子光子学的竞争能力只是在近几年才变得明晰。
左上：不同平台的纠缠光子对产生效率对比右上：AlGaAsOI集成多功能量子光学器件
年，中国香港和荷兰研究人员使用InP微环谐振腔通过自发四波混频产生了通信波长的时间能量纠缠光子对，其效率比得上SOI的效率。这得益于InP更强的三阶非线性效应，尽管谐振腔Q值更低，而且InP有双光子吸收，所以也会限制效率。年，JohnBowers和GalanMoody团队从Q值超过万的AlGaAsOI微环谐振腔中产生了纠缠光子对。高Q值、强三阶非线性、可忽略的双光子吸收和紧密的模式约束，这一切让光源亮度比SOI高将近倍。法国研究人员正在开发的另一种方法利用甚至更强的非线性效应(χ?2?)，以AlGaAs脊形波导通过II类自发参量下转换产生偏振纠缠光子对的研究已经有了很好的进展。最后，AlGaAsOI谐振腔的高Q值对应0.2dB/cm的波导损耗，比得上设计用于量子光学应用的SOI和氮化硅的最佳性能。这说明基于CSOI的多功能集成量子光子学具有很好的前景，可在一个平台上集成光学增益、量子光源、光电探测器和高速调制器以及可编程干涉网络。
全片上QPIC器件示意图
前景展望
由于近年来的快速发展，CSOI有望改变光子学的格局。晶体膜反射镜已经成功商用化，正在促进精密干涉计量和光谱学、高功率激光系统和众多其它应用的发展。集成CSOI器件已在通信光源和信号处理得到应用，而AlGaAsOI微光梳已能实现用于微波光子学的RF滤波器，为5G/6G网络、雷达和众多其它领域提供应用可能。AlGaAsOI高效率微光梳加上二次谐波产生可能带来完整集成的时间计量系统，比如光频合成器和紧凑型光钟。虽然AlGaAsOI是研发重点，但这种概念也能拓展到其它III-V和II-VI族材料，包括GaP、InGaP、GaN、ZnSe、ZnS和CdS。宽带隙III-V族半导体能在可见光波长实现更低的损耗，促进包括原子物理、生物传感、放大和虚拟现实在内的众多应用。高二阶非线性系数和宽透明波长范围也意味着更高效的量子光源和宽谱PIC。在未来数年，CSOI从小规模研发到大批量生产的转变将改变光子学的生态体系。这种技术有望超越当前技术，极大地拓展先进光子学的能力和范围，与SOI光子学形成强力互补。本文编译自OpticaOPN期刊年1月的封面文章，原作者来自加州大学圣芭芭拉分校JohnBowers团队和Thorlabs晶体膜反射镜团队。
文章来源：Thorlabs索雷博
end
预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇