据中国光学期刊网，于2024年10月30日报道，近年来，互联网数据流量激增，对高速、大带宽、低成本和低功耗技术有着迫切的需求。借助成熟的CMOS技术，集成硅光子学（Si-photonics）已成为解决通信瓶颈的核心技术。尽管以硅无源器件为代表的硅光子学已经得到了长足发展，且其集成密度也持续攀升。然而，由于硅和锗的间接带隙特性，实现片上光源这一集成硅光子的核心，需要将高质量的III-V族有源器件集成到现有的硅光子平台上。
《激光与光电子学进展》于2024年第19期推出创刊六十周年系列专题之“光子集成芯片”，香港科技大学薛莹博士、刘纪美院士发表“侧向选区异质外延绝缘体上硅的III-V族有源器件”被选为本期亮点文章，发展了侧向选区外延硅基III-V族有源器件，聚焦于硅基III-V族激光器和光电探测器的实现、及其与硅无源器件的共平面高效光耦合。
01 研究背景
作为集成硅光子学的最终目标，通过直接异质外延在硅上单片集成III-V族有源器件，可以在成本、可扩展性和集成密度方面为硅光子学提供优势。为实现单片集成，大面积外延和选区外延这两种基于异质外延的单片集成方法得到了广泛研究。
大面积外延，通过在硅上生长厚的III-V族缓冲层来减少上层有源区的缺陷密度，为硅基III-V族有源器件的实现打下基础。遗憾的是，几微米厚的III-V族缓冲层极大地阻碍了其上III-V族有源区与其下硅无源器件层的有效光耦合，且此项技术产出的激光器和光电探测器的带宽受限。相比之下，选区外延以其独特的缺陷调控方式可实现无缓冲层的高质量硅基III-V族晶体外延，且对于将电子和光子集成在同一芯片上这一目标至关重要。然而大多数选区外延所产出的纳米尺度上的有限材料体积阻碍了有源器件的实现，尤其是电泵浦激光器。
02 研究内容与亮点
为了解决硅光全集成的困境，研究团队开发了一种侧向选区外延方法，有望从有源器件和有源与无源的耦合集成两个层面解决硅光子集成面临的严峻挑战。这项技术允许在同一平面内紧密集成高质量的III-V族材料与硅。高质量、低缺陷密度的III-V族材料是实现高性能硅基III-V族器件的关键，通过侧向选区外延独特的缺陷颈缩效应，可以实现在硅上直接生长高质量的III-V族材料，从而产出包括激光器、光电探测器和调制器在内的高性能III-V族有源器件。III-V族晶体与硅共平面的结构使得高度不匹配所带来的耦合损耗得以最小化，从而促进III-V族器件与无源波导的高效耦合，尤其是III-V族光源与硅波导之间的耦合。利用这一技术，研究团队已经研发了各种核心光子有源器件，包括微腔激光器、分布式反馈激光器、分布式布拉格反射器激光器、光电探测器和调制器（图1）。
微腔激光器阵列实现了C波段的多模激射和高集成密度。分布式反馈激光器实现了1.5 μm 波长的低阈值单模激射，且凭借独特的设计有效的抑制了在分布式反馈激光器中光栅刻蚀带来的损耗。分布式布拉格反射器激光器实现了仅为5 μJ/cm2的超低阈值。这一技术实现的光电探测器具有0.8A/W的高响应度和pA量级的暗电流以及40GHz以上的3dB带宽。
此外，研究团队采用对接耦合的策略和倒锥形波导，实现了III-V族器件与硅波导之间的高效耦合集成。实验获得的耦合效率超过70%，并可通过缩小III-V族与硅之间的间隙进一步提高到90%以上。通过与硅波导的耦合集成，III-V族光电探测器的性能也得到了进一步的提升，测得了高达112Gb/s的眼图，从而验证了高质量的数据接受性能。
03 总结与展望
该工作基于侧向选区外延方法实现了绝缘体上硅的III-V族有源器件及其与硅光子的耦合集成。侧向选区外延这一方法产出的硅基III-V族激光器与探测器的独特优势及其与硅共平面结构所带来的高效光耦合使其成为颇具前景的硅光集成技术。这一系列工作为集成硅光子提供了一种新颖的片上激光器解决方案，并描绘了全集成的硅光子的前景。基于此项技术推动硅光子进一步发展的下一个主要挑战是制备电泵浦激光器。为实现这一目标可引入四元化合物来增强载流子和光场限制，以及制造分布式布拉格反射器来减少损耗。
作者简介
薛莹，香港科技大学研究助理教授，主要研究方向为III-V族光电子器件及其与硅光子的集成。她荣获2023年国际光学学会挑战基金奖，工程领域女性新星奖等，研究工作发表于Optica, Laser & Photonics Reviews 封面等。
刘纪美，美国国家工程院院士，香港科技大学研究教授，致力于化合物半导体材料与器件的研究。刘教授是IEEE、Optica （前身为OSA）会士及香港工程科学院的院士。她是国际工程技术学会（IET）J. J. Thomson medal for Electronics（第一位女性获得者）、Optica (OSA) Nick Holonyak Jr. Award、IEEE 光子学会（Photonics Society）Aron Kressel 奖、美国国家科学基金会女教师、科学家及工程师奖（US National Science Foundation (NSF) Faculty Awards for Women (FAW) Scientists and Engineers (1991)）、香港裘槎高级研究员（Hong Kong Croucher Senior Research Fellowship (2008)）等多项重大奖项获得者。她历任IEEE Transactions on Electron Devices (1996-2002)、Electron Device Letters (2016-2019) 的主编, Journal of Crystal Growth、Applied Physics Letters的副主编。研究工作发表于Photonics Research、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews 、Advances in Optics and Photonics 等国际期刊。
