以微轉印技術實現混合式外腔雷射整合：突破矽光限制的關鍵一步

矽光平台的瓶頸與解方

矽光子技術因其與CMOS製程兼容性高，並擁有成熟的SOI（Silicon-On-Insulator）與SiN（Silicon Nitride）平台，成為光電整合的發展重點。然而，矽的間接能隙特性導致本身無法作為有效光源，因此須整合具發光能力的III-V族材料（如InP系增益材料）來應用於電信波段。

過去常見的整合方式為邊緣耦合（edge-coupling），能提供低於1 dB的低損耗、寬頻、偏振無關的光耦合性能。本研究提出一項創新做法——透過「微轉印（Micro-Transfer-Printing, μTP）」技術實現的混合式外腔雷射（Hybrid External Cavity Laser, HECL）整合，成功在SOI與SiN平台上實現高整合度單模雷射輸出。

微轉印整合技術：異質整合的關鍵

由於InP材料與矽基底晶格不匹配，直接成長技術難度高且製程不穩定。μTP提供一種高效率、平行化且可大規模轉移的解決方案，可將III-V材料以次微米精度轉印至任意平台，並有效節省材料使用。

本研究透過μTP技術，將已蝕刻的InP反射式光放大器（RSOA）從母基底中釋放，精準轉印至預先設有溝槽的SiN晶片上，並結合SU8聚合物與SiN波導、以及一維光子晶體（1D PhC）光學共振器。整體轉印對準誤差控制於0.5 μm內，使用薄層BCB黏著層達成超過90%的良率。

雷射操作結果：穩定單模輸出

實驗進行了HECL元件在連續波（CW）與脈衝模式（20 kHz，0.1%工作週期）下的雷射輸出光譜測試。元件展現出穩定的單模雷射行為，於40 至 65 mA驅動電流間的SMSR（側模抑制比）維持在30–40 dB。CW操作下波長略隨電流升高而偏移，反映晶片熱效應；而在脈衝模式中，熱效應抑制，波長維持穩定，顯示元件具優良操作穩定性。

結論

本研究展示了透過微轉印技術實現的完整混合式外腔雷射（HECL）整合架構，能穩定產生單模輸出，並具備30–40 dB的側模抑制比。μTP技術提供高良率、精準對準的異質整合能力，省去繁複對位流程，為矽光平台整合有效光源提供了一項具體技術實現。

參考資料

[1] F. Atar, Y. Arafat, G. Paikkath, A. Vorobev, B. Corbett, L. O'Faolain, S. Iadanza, "First Demonstration of a Fully Integrated Hybrid External Cavity Laser in Edge-Coupling Configuration via µTransfer-Printing," Centre for Advanced Photonics & Process Analysis, Munster Technological University, Cork, Ireland; Photonics, Tyndall National Institute, Cork, Ireland; Laboratory of Nano and Quantum Technologies, Paul Scherrer Institut, Villigen, Switzerland; Laboratory of Integrated Nanoscale Photonics and Optoelectronics, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2024.