[发明专利]异质集成中红外超连续谱产生芯片

说明书

本发明提供一种异质集成中红外超连续谱产生芯片，包括锗硅(Si_1‑xGe_x)、氮化硅和蓝宝石三层结构，所述蓝宝石作为埋氧层，以蓝宝石衬底的氮化硅晶圆在经过电子束光刻后留下光刻胶掩膜层，并通过气体刻蚀形成氮化硅波导；在氮化硅波导上再次使用电子束光刻实现选区窗口的曝光，将高质量锗硅薄膜选区沉积在氮化硅波导上形成异质集成波导，进而深度清洁后予以器件封装。本发明采用的蓝宝石埋氧层‑氮化硅‑硅锗的异质集成方案可以解决片上中红外超连续谱光源的亮度低、带宽受局限，不易大规模集成化的痛点问题。

技术领域

本发明属于激光光源、片上光子集成领域领域，涉及一种异质集成中红外超连续谱产生芯片。

背景技术

片上波导中非线性频率变换的研究是集成光学的一个重要学术分支，是超快光子学的前沿课题之一。目前，固体与光纤中的非线性光学研究非常成熟，中红外固体OPO经过非线性频率变换后，闲频光波长扩展到12μm，且已经产品化；基于光子晶体光纤、氟化物光纤、硫系光纤的超连续谱已经覆盖了可见-近红外-中红外波段，并迅速实现了产品化。相比之下，片上非线性频率变换的研究，有着波导本身赋予其显著的特点。

以硅为例阐述其特点：首先，硅的三阶非线性效应比普通光纤高约2个数量级，拉曼增益系数比普通单模光纤高3个数量级，硅的折射率高，能够将光很好地限制在波导内去构建光子链路。其次，通过对硅基波导尺寸、几何结构的设计，可实现对其色散系数的控制，进而设计出合适的色散曲线，能在很短的作用长度将脉冲频谱高效展宽。更重要的，这类波导器件和系统具有成本低、体积小、重量轻、易批量制备等优势，可通过版图设计不同类别的波导，在晶圆上刻蚀出在光纤平台上无法实现的非线性光学器件。

在2000年初期，绝缘体上硅(SOI)波导中的拉曼放大、四波混频、自相位调制等非线性效应在通信波段已经被报导。2004年，加利福尼亚大学最早报导了C通信波段上硅波导内基于自相位调制效应实现的光谱展宽现象，虽然光谱带宽仅有～10nm，这一工作拉开了片上超连续谱研究的帷幕。2007年罗切斯特大学科研者L.Yin理论模拟了飞秒脉冲作为高阶光孤子在硅波导传输中发生孤子分裂和Cherenkov辐射，～1pJ、50fs脉冲在传输长度3mm时，获得光谱宽度420nm。2014年，美国哥伦比亚大学K.W.Ryan等人设计并制备了具有两个零色散点的硅波导，使用80MHz、120fs的脉冲光在两个零色散点之间的反常色散区进行泵浦，首次得到了光学倍频程的连续谱产生，其范围从近1.5μm的通信C波段一直到超过3.6μm的中红外区域。然而，在SOI平台上进一步往中红外拓展却受到限制，这是因为二氧化硅埋氧层在3.5μm以上的材料吸收增强，使得此类波导的连续谱产生无法获得更大的展宽。2015年，澳大利亚悉尼大学的N.Singh将SOI的埋氧层改为蓝宝石，采用泵浦波长为3.7μm、脉宽320fs的脉冲泵浦，实现了1.9～6μm的超连续谱展宽。