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微纳加工公司

目前集成光子学技术最大的量产方向是光通信方向，光通信方向工作波段为1260-1650波段，而集成光子学作为传统光学的一个代替，其所能实现的能量，也绝不仅仅只有光通信波段，从整个光谱来看，在可见光和近红外波段集成光子学，亦也有巨大的市场空间，比如光谱仪，生物传感，量子技术等。

本文从 可见光和近红外波段的 

a.波导材料选择

b.波导平台

c.片上集成（耦合器，mems,pd,相移器）

d.异质集成（光源，调制器）

面向研究硅光技术的高校人员和企业：

设计服务：

A.铌酸锂，氮化硅，等硅光芯片的设计服务，其他材料亦可尝试

B.从简单的MZI和微环或awg波分到复杂的硅光芯片设计（光通信，生物传感）

封装服务：

我们可以提供TO、BOX、蝶形器件封装设计和工艺，包括且不限于铌酸锂，氮化硅，硅光等芯片的封装耦合设计（光路仿真、结构设计、电子设计、热学仿真）。

团队及优势：

来自全球前五的光通信企业，具有高速硅光和铌酸锂方案的光模块，高速光模块的量产经验，通过我们在业内积累的成熟先进的封装设计和量产经验，成熟的供应链资源（硅光芯片端面抛光，透镜光纤，光纤阵列，陶瓷管壳，热沉，TEC等），与您的创意充分结合起来，实现产业＋科研的结合，可以有效地规避潜在的问题点，让科研少走弯路，加速创新的实现和落地。

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量子信息、显微镜、生物传感、深度传感和增强现实等新兴应用需要可见光 (VIS) 和增强现实中的小型化组件波长在 380 至 1100 nm 之间的近红外 (NIR) 光谱。铸造厂硅光子学已针对电信波长进行了优化，可以适应这个波长范围。 在这篇文章中，我们回顾了最近的进展用于可见光和近红外波长的硅光子学，重点关注平台、设备、和在铸造厂制造的光子电路。 铸造厂能够创造复杂的晶圆级电路。 基于氮化硅和氧化铝波导的平台，与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 代工厂兼容正在变得可用。 因此，高性能光子电路正在成为可能的。 主要挑战是低损耗波导、高效输入/输出耦合、敏感探测器以及激光器和调制器的异构集成，特别是使用铌酸锂和其他电光材料的。 这些要素，已经为电信开发，需要进一步开发 λ < 1100 nm。 作为短波长硅光子技术进步、光子集成电路可以满足 O 和 C 频段通信之外更广泛的应用范围。 ©2024年光学出版集团

1. 简介

硅光子学是在硅基上实现光子元件和电路的技术使用成熟微电子行业中的材料和制造工艺流程的硅衬底。 在过去的15-20年里，硅光子学扩大了应用范围通过实现高密度集成和大规模光子集成电路（PIC）使用深紫外 (DUV) 光刻技术在 200 台晶圆上实现大型晶圆的可制造性毫米或 300 毫米硅基板。 对最成熟的技术形式进行了优化用于在 1310 和 1550 nm 附近的电信波段运行在绝缘体上硅 (SOI) 晶圆的顶部硅器件层中定义了波导[1-3]。 它正在实现高能效收发器和大规模 PIC，从而解决数据通信 [1,4]、三维 (3D) 传感 [5] 和计算加速器 [6,7] 的需求。 然而，光的许多应用，例如量子信息处理、生物传感和显微镜以及扫描显示器，使用更短的可见光 (VIS) 和近红外 (NIR) 光谱中的波长。 这些 VIS 和近红外应用在很大程度上仍然依赖于体光学系统，尽管它们可以随着复杂性的增加，它们将受益于小型化和集成化。硅光子学可以解决这些较短波长的挑战和应用。尽管硅吸收的波长短于 1100 nm，但硅光子学的主要优势不仅仅在于在硅中引导光； 相反，硅光子学利用了微电子学大规模制造和集成光子元件的处理。 因此，通过使用作为波导的另一种在波长 <1100 nm 下透明的兼容材料，硅光子学可以扩展以实现在 VIS 和 NIR 中工作的 PIC频谱区域。 事实上，近年来，人们对硅的兴趣和技术较短波长的光子学一直在发展。

本文回顾了硅光子学在 VIS 光谱方面的努力，以及使用该技术的设备和光子电路的进展。 NIR 示例将相关时纳入。 为了清楚起见，在本次审查中，VIS 光谱指的是波长范围介于~ 380 至 700 nm 之间，NIR 指的是该波长范围约 700 至 1.1 µm 之间，仍可被 Si 传感器吸收。 特别是，我们重点关注代工厂在大型（200 或 300 毫米）晶圆上制造的平台。 尽管铸造制造对材料选择、尺寸和器件设计，它提供了大规模实现复杂电路的途径，无论是在就集成到每个电路中的器件的尺寸和数量以及生产的芯片数量。 这可以在单个芯片中实现复杂的功能，对于原子钟、可扩展量子计算机等应用至关重要生物传感器。 由于波长较短，实现 VIS 的关键挑战光谱硅光子学包括低损耗波导、低损耗和宽带输入/输出耦合，一个相对较大的制造限制特征相对于波长的尺寸，以及活性功能的集成，例如激光器、调制器和探测器。本次审查的组织如下：第 2 部分审查了 VIS-PICS 常用的波导材料和铸造制造平台； 第 3 节规定了最先进的单片集成器件概述； 第 4 节讨论VIS-PIC异构集成的进展；第 5 节描述示例PIC 的应用； 第 6 节讨论了该技术的前景。

2. 波导平台

2.1. 波导材料

所选波导材料在可见光和近红外范围内应是透明的并且易于加工。 石英玻璃（SiO2），折射率约为1.46可见光和近红外光谱的透明度，是作为包层的常见选择材料。 SiO2 可以通过化学气相沉积 (CVD) 或热氧化形成在硅衬底上。 在玻璃平面光波导 (PLC) 技术中，波导通过掺杂纤芯以稍微增加折射率，或沉积掺杂的折射率低于二氧化硅的玻璃包层。 锗掺杂通常用来定义电信光纤的纤芯，但是 Ge由于潜在的光暗化，掺杂对于蓝色和绿色波长并不理想[8]。 最近的 VIS-PIC 玻璃 PLC 演示使用了带芯的波导掺杂锆或包层掺杂氟[9,10]。 石英波导折射率对比度较低，约为 1-2%； 因此，它们具有微米级模场直径 (MFD)，并且不易受粗糙度散射损失的影响。

另一方面，玻璃波导与当今的硅光子学不兼容制造过程，其中大部分发生在微电子铸造厂不支持二氧化硅的掺杂。 此外，低折射率对比度导致毫米级的弯曲半径阻碍了密集集成。在硅光子技术中，SiO2用作包层，是最流行的材料用于波导芯的是氮化硅（SiN）和氧化铝（alumina，Al2O3），由于其宽带透明度以及与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 或 Si 中的平面晶圆级制造的兼容性光子铸造厂[11-15]。 SiN的折射率约为2，并且它被沉积通过等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 或低压化学气相沉积（LPCVD）。 第一个是低温工艺，需要工艺温度 <400°C，并与后端 (BEOL) 处理兼容[16]。 低温工艺还减少了晶圆应力和晶圆弯曲。LPCVD是一种高温工艺，不兼容BEOL； 然而，结果是在SiN中更接近Si3N4的化学计量组成并且对杂质进行退火。Al2O3 在 VIS 和近紫外 (near-UV) 范围内的折射率为 1.65–1.72带隙约为 5-7 eV 的光谱[15,17]。 它是使用原子层沉积的沉积[15,18]。

除了氧化铝和 SiN 之外，已展示的其他波导材料还包括氮化铝 (AlN)、氧化钛 (TiO2)、五氧化二钽（Ta2O5）和氧化铌（Nb2O5）[19]。 AlN 是一种压电材料，具有电光（EO）效应。 损耗最低的 AlN 是在蓝宝石上外延生长的衬底和蓝宝石上溅射非晶 AlN 波导的损耗为λ = 638 nm 时为 5 dB/cm，λ = 370 nm 时为 75 dB/cm [20–22]。 Ta2O5（也称为tantala)、TiO2 和 Nb2O5 的折射率约为 2.1–2.35，较高比 SiN 和 Al2O3 更优异，并且具有高约束波导的潜力在 VIS 范围内，传播损耗较低或中等，大约 <10 dB/cm [23-26]。近年来，薄膜铌酸锂 (LiNbO3) 也引起了 VIS-PIC 的兴趣年[27]，但通常与前端硅光子或 CMOS 不兼容加工。 然而，LiNbO3 可以异质集成到成品硅光子晶圆上。 LiNbO3 技术将在 4.2 节中讨论。 由于更加成熟SiN 和 Al2O3 在铸造过程中的沉积和图案化，这两种材料目前主要用于 VIS 硅光子平台。

2.2. 波导损耗的来源

为了实现低损耗光波导，波导芯材必须具有低损耗吸收并且可以以足够低的侧壁粗糙度进行图案化以减少表面散射。原则上，上述材料的带隙为至少几个电子伏特，这意味着它们在 VIS 中是透明的和近红外光谱。 然而，由于材料成分或杂质会导致 UV-VIS-NIR 波长范围内出现吸收峰。 为了例如，在 SiN 中，SiN 或 N-H 键的高次谐波吸收Si:N 比例会导致吸收[28,29]。 在高限制波导中，光学由于表面粗糙度散射造成的损失与 σ2，直流分量粗糙度轮廓的自相关[可以直观地理解为均方根（RMS）粗糙度]并与波导宽度成反比[30]。对于短波长操作，所需的波导通常更窄与红外区域相比，因此需要更光滑的侧壁才能实现相同的传播损耗。 材料加工步骤（例如，引入退火步骤去除杂质，控制沉积材料的成分），如以及最大限度地减少制造过程中的侧壁粗糙度对于开发至关重要低损耗可见光波导。

2.3. 波导限制

VIS-PIC 通常使用两个主要的波导系列：高限制和低限制类型，如图 1 所示。这两种类型的波导是通过其核心几何形状（即高度和宽度）的差异来实现。 对于折射率接近 2 的情况（上述材料的情况），高限制单模波导的高度在 100–200 nm 范围内，宽度约为250–500 nm（图1（a））[13]。 有了这些几何尺寸，由于波长短，模式几乎完全限制在波导芯内[图1]。 1(c)]。 这样的波导适合实现小弯曲半径并减少波导间相声。 低约束波导如图 1（b）所示：它们具有高度约为 20 nm 的薄波导芯，大部分模态功率为被限制在包层内[图1]。 1(d)][31,32]。 这种波导不太敏感纤芯-包层界面处的表面粗糙度，代价是大（毫米级）弯曲半径和低集成密度。

表 1 总结了已在 200 毫米或 300 毫米上演示的波导毫米硅衬底[13,15,18,25,26,32–42]。 在所有情况下，包层都是二氧化硅。 因此迄今为止，SiN仍然是最流行的波导材料，并且其高透明度紫外范围内的 Al2O3 用于离子捕获和显微镜检查 [43–45]。 这传播损耗 <1 dB/cm 的最低损耗波导是低限制波导类型 [31,32,38]。 采用镶嵌工艺，代替传统的减材工艺，形成波导可实现低传播损耗[46]。 低损失所取得的结果表明，高约束波导中的损耗受到以下限制：表面粗糙度散射而不是材料吸收。

2.4. VIS-PIC 平台

代工制造的一个关键优势是可以实现复杂的电路通过大规模执行大量兼容的制造步骤。 对于一些应用中，实现最低波导损耗并不重要，重要的是能力在同一平台上集成多种功能以创建微系统。VIS-PIC 平台仍处于起步阶段。 表 2 总结了以下状态各种努力和平台上的整体集成功能[13,18,32,35–37,39–42,47–55]。 imec BioPIX [53]、LioniX SiN-Photonics TriPleXVIS [54] 和 Ligentec 提供无源平台。 麻省理工学院林肯实验室 [51,52] 和我们的

(a)高约束和(b)低约束的横截面示意图VIS-PIC 波导。高约束型波导的高度约为100~200 nm，低约束型波导的高度约为25纳米。基本横向电 (TE) 模式的计算电场强度(c) 350 nm 宽、150 nm 高和 (d) 1 µm 宽、25 nm 高的波导。波导芯折射率1.8，包层折射率1.45，波长450纳米。

与 AMF 的合作[14]已经证明了在衬底中使用 Si 的光电探测器（PD）的单片集成，并且我们集成了微机电系统（MEMS）组件。平台剖面如图2所示。[36,37]中的平台集成了一个AlN层来诱导应力光学效应下面的 SiN 波导层用于相移和/或机械偏转。 这AlN 层不用于波导。 AMF 具有一个底切步骤，可去除底层 Si 的部分以释放悬臂结构，从而使 MEMS 能够微米级位移和高能效热光 (TO) 移相器[48,49]

a复选标记：根据参考，该功能可用。交叉：该功能在参考文献中不可用。问号：此功能的可用性未知。不适用：不可用。

本课题组利用AMF开发的VIS-PIC平台剖面图（未画出规模）。该平台包含两层 SiN 波导、一个 Si 台面、掺杂 PN结、两层布线金属（铝）和钛电阻层氮化物（TiN）[14]。还有一个深沟槽蚀刻用于形成边缘耦合器和热隔离以及硅衬底中的底切蚀刻。底切是可选，仅适用于应与基板隔离的区域。这虚线描绘了[13,47-50]中报告的设备。

一个悬而未决的问题是激光源和高速光电组件的集成。由于 VIS-PIC 平台中的波导层是非晶态绝缘电介质没有任何由二阶非线性磁化率引起的 EO 效应的材料(χ(2)）或电子载体，TO效应提供了最简单的实现方式调相。 然而，TO 效应仅限于热时间常数，导致亚兆赫兹调制带宽（第 3.2 节）。 波导材料也不发光。 因此，将激光源和高速 EO 组件纳入 VIS-PIC 需要其他兼容材料的异构集成。研究正在进行中，并在第 4 节中进行讨论。

3. 单片集成设备

3.1. 光纤到芯片耦合器

光纤与芯片耦合是具有高约束波导的 PIC 的主要挑战由于波导模式和光纤模式之间的 MFD 不匹配。 这光纤和 PIC 之间光的有效耦合对于功率预算至关重要。如果没有高效的光纤到芯片耦合器，则必须通过以下方式对芯片进行寻址：

自由空间光学。常见的两种主要类型的光输入/输出耦合器用于最先进的 PIC：边缘耦合器 [56-58] 和表面光栅耦合器 [59]。每种耦合器类型都有其自身的优点。例如，边缘耦合器通常具有更高的耦合效率、更宽的光带宽和更低的偏振与光栅耦合器相比，相关损耗。 另一方面，光栅耦合器对于晶圆上测试更实用，可以放置在芯片上的任何位置，并且通常对光纤错位具有更高的容忍度。 在 VIS 应用中需要覆盖宽波长范围的宽光学带宽或平坦、平面封装，例如在光子神经探针和离子阱中[13,44,60]，边缘耦合器是通常优于光栅耦合器。

3.1a. 光栅耦合器

光栅耦合器使用周期性结构来相干地散射面内传播的光模式到平面外辐射场[59]。 从光栅方程，对于一个简单的均匀光栅，耦合效率带宽由[61]给出

其中 λ0 是中心波长，NA 是光纤数值孔径，θ0 是中心发射角，neff 为光栅区域的有效折射率，nclad 为包层的折射率。因此，降低折射率对比度可以改善带宽。另一方面，较低的折射率对比度会减少散射光栅的强度，因此，导致较低的方向性（定义为分数指向上层的总辐射功率）和更高的光纤到芯片耦合损耗[62]。

关于光栅耦合器用于与可见光谱中的光纤和激光源进行片上/片外耦合的报道数量有限。在[34]，具有完全蚀刻齿和金属背反射器的 SiN 光栅耦合器证明了。 虽然作者没有测量光学耦合效率光纤作为输入，他们将入射自由空间光束的直径设置为 11.5 µmλ = 660 nm 以模拟光纤模式。 后反射器增加了耦合效率从-4.2到-2.3 dB。几年前，据作者所知，[63]首次表明，VIS 光谱中的光纤到芯片 SiN 光栅耦合器。 低背反射设计通过调整光栅耦合器的角度并包括薄的 70 nm 抗反射膜来实现下氧化物包层下方的层。 该光纤的 MFD 约为 4.5 µm，数值孔径为 0.12。 红光光栅设计在 λ = 644 nm 处实现了插入损耗约 7.5 dB，半高全宽 (FWHM) 带宽约 30 nm，以及−31 dB 的背向反射。 绿光光栅的耦合效率为∼ 9.1 dB (λ = 532 nm)，半高宽 (FWHM) 带宽为 20 nm，背反射约 27 分贝。 这些结果表明，虽然归一化带宽 (Δλ/λ)与硅光栅耦合器[62]相比，插入损耗仍然相对较高高，正如 SiN 波导的较低折射率对比度所预期的那样。 这仍有机会提高光纤到芯片输入/输出的耦合效率光栅耦合器，例如，通过使用布拉格反射器改进背反射器或包括覆盖层[64]。

3.1b。边缘耦合器

实现高效光纤到芯片边缘耦合的一个主要障碍是失配片上波导和光纤之间。 例如，在蓝色波长488 nm，该模式被严格限制在 SiN 波导中，测量值约为

双层边缘耦合器的原理图和测量结果。横截面由以下部分组成150 nm 厚的波导层顶部的 75 nm 厚的 SiN 薄波导层 (SiN2)(SiN1)，如图 2 所示。(a) 边缘耦合器示意图。光纤模式耦合到芯片边缘的 SiN2 波导尖端。SiN2 绝热波导从光纤芯片接口扩展，而 SiN1 是绝热地引入到将光从 SiN2 层传输到 SiN1 层，即布线层。(b) 与具有双层边缘的芯片边缘耦合的光纤的光学显微照片耦合器。 (c) 对于 SiN2 边缘耦合器，测量到 S405-XP 光纤每个面的耦合损耗尖端宽度 wEC 为 0.14 和 0.24 µm。 为了进行比较，边缘耦合器仅使用包含 SiN1 波导层。 单层 SiN 边缘耦合器在边缘以匹配光纤模式。 经 [50] © The Optical 许可转载社会。

200 × 280 nm [13]，单模光纤（Nufern S405-XP）的 MFD 约为3.7 µm（λ = 488 nm）。为了使 MFD 与光纤的 MFD 相匹配，采用倒锥度设计对于耦合器可以采用[65]。然而，这种倒锥度的尖端宽度需要大约 75 nm [50]，它太窄而无法使用可靠地制造目前硅光子代工厂的 DUV 光刻分辨率≳ 100 nm。在由于光刻分辨率极限，耦合损耗约为 10 dB [37,44,50]。到将光耦合到这种严格限制的模式中，可以使用物镜[18]。 在里面电信波长范围，可熔接至标准的高数值孔径光纤可以使用纤维[66]，并且未来可能会开发类似类型的纤维可见光范围。 使用薄层（~ 20 nm）的低约束波导保持大 MFD 和高于 DUV 光刻极限的特征尺寸 [13,32,38,67]，但这会导致毫米级弯曲半径，不适合高密度 PIC一体化。

为了实现具有光纤的铸造兼容的高效边缘耦合器，同时保留具有高限制波导的光路由层，一种方法是使用两种SiN波导层如图3所示[50]。 横截面如图所示图3(a)。 顶层（SiN2）很薄，厚度约为75 nm，下层层（SiN1）的厚度为150 nm，是主要的路由波导层。 在在该设计中，光纤模式被发射到薄的 SiN2 层中，该层支持扩展了 MFD，其特征尺寸与铸造制造兼容。 那时的光使用层间绝热锥形绝热耦合到 SiN1 布线层过渡（图3（b））。 林等人。 [50]报道了具有光纤到芯片的双层边缘耦合器在 λ = 445–640 nm 的广谱范围内，每个面的耦合损耗 >4.0 dB，即相对于仅使用主布线层实现的边缘耦合器，性能提高约 3-5 dB。SiN2–SiN1 层间过渡损耗低，整个 VIS 损耗 <0.5 dB光谱。双层设计使得可以将低约束波导与高约束波导的优点结合起来。它也可以应用于通过耦合功率提高薄型超低损耗波导的集成密度到损耗不太重要的较厚波导。

3.2. TO 移相器

TO 移相器通过在器件中产生局部温度变化 ΔT 来工作引起折射率变化。 VIS-PIC 的介电材料具有积极的TO系数，dn/dT>0，温度变化通过集成实现加热器，这是一个电阻金属层。 线性、非谐振的电源效率移相器的特征是 Pπ，它是实现移相器所需的电功率π 相移。 这是一个有用的指标，因为它大致独立于设备长度。 在长度为 L 的波导部分中，TO 引起的相移 Δψ(T) 为

其中neff是波导模式的有效指数。根据热方程，物体的温度变化由下式给出

其中 Q 是热能，m 是质量，C 是物体的热容。在 TO 移相器中，由于 Q 与所施加的电功率成正比，并且 m 为与器件长度成正比，代入方程：(3) 代入等式。(2) 结果

其中 Pe 是施加的电功率。它遵循

式(5)表明，随着波长的减小，如果TO系数材料大致保持不变，Pπ 减小。 确实，情况就是如此

用于可见光波导的宽带透明介电材料。因此，作为波长从电信波段减少到可见光波段，移相器原则上，效率大约可以提高 3 倍到 5 倍，成比例的系数与波长之比。

对于波导TO移相器，有效折射率变化来自波导芯和包层。核心材料往往具有略高的 TO系数高于 SiO2 包层的系数。 尽管 SiN 和 Al2O3 各有优点波导材料的透明度和与硅光子学的兼容性制造，使用这些材料创建高效的移相器已被证明可以

是一项艰巨的任务。原因是 SiN 和 Al2O3 的 TO 系数相对较低，约为 2.45 × 10−5 K−1[68] 和 2.75 × 10−5 K−1[15]，分别。SiO2的TO系数约为10−5 K−1[69]。在 VIS 光谱中，线性 SiN TO 移相器需要大量功率，20–30 mW [70] 或 100–300 mW [51]，以实现 π 相移。 SiN 微盘和微环已用于创建功耗较低的移相器，λ = 488 和 530 nm 时为 0.68–2.1 mW，但设备对波长更敏感和制造错误。

具有多个波导通路的悬挂式 TO 移相器的原理图和示例结果。具有三个波导通道的移相器区域的横截面

TiN 加热器下的波导如图 2 所示。波导高 150 nm，宽度600、650 和 550 nm，最近邻之间的间隔为 120 nm，并且是在 4.2 µm 宽的 TiN 加热器下。(a) 包含 MZI 的光学显微照片移相器（顶部）和 λ = 445 nm 处的输出切换（底部）。(b) 输出功率作为加热器功率的函数，在 λ = 445 nm 处的两个输出端口MZI。 Pπ 为 0.8 mW。 经 [49] 许可转载 © Optica Publishing团体。

为了实现高效的移相器，我们展示了一种使用 SiN 的设计[49]中的多波导通道悬浮结构中的波导和氮化钛（TiN）加热器如图4所示。悬浮设计增加了隔热，波导在加热器下方多次通过会产生热量更有效率。 这种设计策略实现了 Pπ 的高功率效率445 至 561 nm 之间为 0.8–1.2 mW。 移相器也集成在马赫-曾德干涉仪 (MZI) 开关设备。 然而，较低的 Pπ 位于MZI 开关中 570/590 µs 的 10–90% 长上升/下降时间的成本。

3.3. 线性电光移相器

最近，Zabelich 等人报道了一种实现有效 χ2 的方法(2)按化学计量

氮化硅，Si3N4 [71]。在 Si3N4 中，χ(2) = 0，因为该材料不是晶体。 使用热辅助电场极化过程，其中外部电场为在加热 Si3N4 时施加，材料中的移动离子可以重新分布以形成空间电荷区，即永久电场 EDC，仅限于 Si3N4波导芯。 直流电和缓慢变化的电场会产生折射率变化，Δn

其中 E0 = EDC + Eapp,0 + Eapp(t) 是空间电荷场 EDC 的总和

以及应用场，其具有 DC 分量 Eapp,0 和缓慢变化的分量 Eapp(t)；n0为材料的线折射率；和 χ(3)eff 是有效的波导模式的三阶磁化率。因此，诱导有效二阶磁化率，χ(2)有效值是

虽然观察到 χ(2)eff 很弱（对于 λ = 1560 nm 约为 1 pm/V），并且研究首次表明测量的调制带宽为 35 kHz有效 χ(2)Si3N4 中，使得材料中的 EO 调制成为可能。 更远改进可能会提高 χ 的大小(2)用于 EO 调制的 Si3N4 和可见光和近红外光谱中的非线性光学[71]。

3.4. 集成微机电系统

增强 PIC 平台的一种有前景的方法是整合 MEMS。微机电系统是制造的能够机械变形的微型部件使用半导体制造技术。 MEMS通常用于传感器和执行器产品，包括加速度计、陀螺仪和微镜阵列。PIC 中的 MEMS 结构可以提供调谐机制来控制光输出通过引起波导有效指数的变化或物理地移动输出光束。 MEMS 的一个优点是设备的功耗可能非常低。 例如，理想的电容式 MEMS 结构不消耗静态电流，因此它们消耗接近于零的静态功率。在电信波长中，MEMS 驱动的波导移相器和基于板的面外位移与波导 [72] 和环形谐振器 [73] 中的渐逝场相互作用的开关或压电调谐环形谐振器通过几何变形[74]已经被证明。 类似地，通过使光栅变形来实现用于光束控制/扫描的光子器件使用静电面外 MEMS 驱动的耦合器发射角 [75]，或使用面内 MEMS 驱动的光栅周期[76]。 在 NIR 和 VIS 光谱中，到目前为止，只有几个 MEMS 集成示例，对此进行了回顾在下面的。

3.4a. 静电微机电系统

静电、压电和电热驱动是最常见的类型MEMS 在 PIC 中的应用。 静电执行器，也称为电容执行器，依靠带电板之间的吸引力 Fe，位移由下式给出

其中 ϵeff、A、d 和 V 是有效介电常数、表面积、距离和电势带电板之间的差异。在稳定状态下，静电吸引力由恢复机械弹簧力平衡。这终止于拉入条件，当移动板被吸引力克服时互相塌陷。静电致动器最简单的几何结构是并联平板电容器。为了产生更大的吸引力，梳状驱动静电MEMS执行器因其高纵横比而被使用。在 PIC 平台中，静电使用硅等半导体和导电金属可以轻松实现 MEMS层，例如Al。静电MEMS已被有效地用于实现硅移相器和开关（选定的例子包括[77,78]），其中Si起到引导光的作用，也充当电容器板。然而，据作者所知，目前还没有用于 VIS 和 NIR 波导的静电 MEMS 集成移相器或开关。

3.4b。压电MEMS

MEMS 还可以利用某些材料中存在的压电效应来驱动。压电效应是通过施加电场产生应变。典型的压电致动器由压电材料板组成，例如氮化铝 (AlN) 或锆钛酸铅 (PZT)，夹在两个导电表面之间。 导电表面之间的电场产生应变，根据电场的方向，可以是正值或负值，并且

VIS-PIC 中的 MEMS 驱动光子结构。 

(a) 扫描电子显微镜基于压电的移相器的 (SEM) 图像。 悬垂长度为 300 µm带有嵌入式 SiN 波导的悬臂梁（紫色）。 插图：横截面悬臂梁包括波导、Al/AlN/Al 压电堆栈、牺牲非晶硅层和氧化物包层。 经董等人许可转载等人，APL Photonics 7, 051304 (2022) [36]。 版权所有 2022，AIP Publishing LLC。

(b) VIS-PIC 平台中直线和 L 形电热微型罐的示意图和 SEM 图像。该平台包含多层 SiN 波导、PD、和悬浮氧化物微悬臂梁作为光束扫描仪（见图2）。一维直线悬臂梁长度为 300、500、800 和 1000 µm 的 SEM 图像光束扫描（顶部）和用于二维光束扫描的 L 形悬臂（底部）。根据知识共享 CC-BY 4.0 许可从 [48] 转载

导致压电材料的膨胀或收缩。相应的材料应力引起折射率变化。这种压电光机械效应可以用于光调制。与电容（静电）执行器一样，这种结构不需要电流来驱动，因此功耗低。此外，它们可以提供超过千赫兹频率的快速驱动速率，受限于机械共振。压电致动器产生的位移取决于材料的厚度。 较厚的执行器会产生较大的位移，但它们可能更难以集成到 PIC 波导工艺中。[36] 中报告了用于 NIR 的压电驱动移相器的示例，并显示了如图5(a)所示。 该设计使用悬浮氧化物悬臂梁，其间夹有一层 AlN 砂（Al/AlN/Al），并且具有氧化物包层的 SiN 波导是形成在压电叠层的顶部。 通过去除牺牲的非晶硅层来释放悬臂。 压电驱动导致路径长度变形和应力，导致 SiN 波导模式的相移 [36,79]。 这些悬臂移相器的高位移（低位移）版本已实现λ = 737 nm 时，Vπ 为 15.2 V (18 V)，峰值机械共振频率为6.8 MHz（23 MHz）[36]。 这些移相器还工作在 705 和780 nm，Vπ 分别为 14 和 16.3 V [36]。 类似地，SiN环形谐振器在 Al/AlN/Al 压电堆栈顶部，工作波长为 λ =780 nm [80]，和马赫-曾德网格 (MZM) 位于 Al/AlN/Al 压电材料之上堆栈，在 700–780 nm 的波长范围内工作[37]，也已被报道称。

3.4c。电热MEMS

另一方面，电热执行器依靠结构中的温度变化来实现位移。最常见的电热执行器使用材料的热膨胀系数不同，形成热膨胀系数双晶。温度升高会导致其中一种材料发生更大的膨胀导致热应力、弯曲和位移。相应的应变材料长度膨胀，ΔLL， 是

其中αT是材料的热膨胀系数，ΔT是温度由于热能而变化[方程。(3)]。虽然此类系统可以提供大量位移具有低驱动电压（480 µm，8 V [81]）并且很简单在制造过程中，即使在静态下，它们也会消耗很大的电流，从而导致高静电功耗（例如，热功耗约为数十毫瓦）双压电晶片[81]）。在[48]中，我们在 VIS-PIC 平台中演示了电热驱动的一维 (1D) 和二维 (2D) 光束扫描仪（图 2）。 VIS-PIC 光束扫描仪是一种适用于电信频谱之外的各种应用的有用设备（参见第 5.2 节），并且提供最小化的尺寸和功耗以及有机会与移相器/开关等其他组件集成，PD 和激光器集成在单个芯片中。 [48] 中的悬臂梁具有 SiN 波导，并且嵌入 SiO2 包层中的薄膜 TiN 加热器。 沉淀的区别Al 和 SiO2 的温度会产生初始应变，使悬臂向上弯曲在没有额外热量的环境条件下。 通过向 TiN 加热器通电，由于Al 和 SiO2 热膨胀系数的差异，悬臂梁会向下偏转。 在悬臂末端，波导被终止带有发射悬臂平面输出光束的光栅耦合器。直线悬臂梁的光束扫描范围 (Δθ) 在 11° 之间和 30.1°施加的电功率小于 30 mW，具体取决于长度悬臂 (300–1000 µm)。 扫描范围受到底切深度的限制悬臂下方的区域。 悬臂梁 10-90% 的上升/下降时间介于1.2 和 4.7 ms，悬臂越长，速度越慢。 然而，悬臂可以被驱动得比机械共振频率的上升/下降速率更快，这范围从 77.4 到 5.7 kHz，从最短到最长的悬臂。 在共振上，Δθ 9.8°施加的电功率小于 20 mW 即可达到 12°。十亿次扫描周期后，悬臂梁性能并未下降。 的细节使用 L 形悬臂的 2D 光束扫描将在 5.2c 节中讨论。

3.5. 光电探测器

PD 将光输入信号转换为电流。光被吸收在PD 导致自由载流子的产生，然后将其提取。 PD 必不可少PIC 中用于接收光并充当 PIC 操作监视器的组件。 斯，带隙对应于 1.1 µm 波长，是一种方便的材料形成用于 VIS 和 NIR 光子平台的集成 PD。PN结PD是最基本、最简单的设计。 光生电子反向偏置结耗尽区中的空穴由电场和漂移到结终端。 为了吸收更多的光子，在p型和n型之间引入本征层（未掺杂或轻掺杂）掺杂区域以形成 PIN PD。 与传统的PN PD相比，PIN PD具有更高的量子效率。 外量子效率（EQE），分数产生电子空穴对的入射光子由下式给出

其中 Rp 是响应度，h 是普朗克常数，c 是光速，q 是分别为电子电荷。此外，由于耗尽层较厚，PINPD 具有较低的电容，这可以带来更快的检测速度，具体取决于承运人的运输时间。另一方面，雪崩光电探测器 (APD) 运行与传统 PIN PD 相比，具有更高的信噪比 (SNR) 和灵敏度基于带电载流子的雪崩倍增的内部增益[82]。在高电场中加速的光生载流子获得足够的能量电离其他载流子，导致产生更多带电载流子。 就这样信噪比由下式给出

可以通过雪崩倍增来增强。在等式中。(11)、Ip、M、Is、Im、F、B 和σ2电路代表光电流、雪崩增益、未乘表面分量暗电流的总电流，包括暗电流的乘积电流（Idark）、超额噪声系数、带宽和电子噪声的 RMS电路，分别[83]。最近报道了 VIS-PIC 平台中的单片集成 Si PD几个组。 PD 可分为端耦合或倏逝耦合。 在在端耦合几何结构中，输入波导和 Si PD 位于同一平面上。 在倏逝耦合，输入波导位于 Si PD 顶部。 表 3 总结了在 VIS 频谱中工作的波导耦合 PD 的性能 [47,52,84]。

3.5a. 末端耦合 PD

末端耦合 PD 的一个示例是[84]中描述的设备。作者演示了用于检测 λ = 685 nm 的波导耦合 APD。APD 的基础是高n掺杂（n+) 和 p 掺杂 (p) 硅肋波导，具有横向掺杂分布并形成于SOI中，如图6(a)所示。 SiN波导层制作在选择性去除该顶部后，与 SOI 衬底的顶部 Si 层处于同一平面硅层。 输入光通过 SiN 波导端耦合至 Si APD耦合损耗小于 1 dB [84,85]。 APD 的增益取决于光学由于光生载流子的饱和，输入光的功率，导致增加空间电荷效应。 因此，该结构的性能为在低增益和高增益两种情况下进行了研究。在单位增益条件（VB = −2 V）的高光功率照明下，结构的 Rp 为 0.65 ± 0.18 A/W，Idark 小于 70 pA。 然而，在低功率VB = −20 V 时的电平 (−63.7 ± 0.7 dBm)，APD 的 Rp 为 0.83 ± 0.05 A/W，M 为 12.3 ± 8。最大增益带宽积 (GBP) 为 234 GHz，带宽为 19.1 GHz。 具有叉指掺杂分布的 APD 表现出更高的与横向 APD 相比，暗电流提供了更低的雪崩增益掺杂概况。 然而，叉指掺杂器件表现出更高的耐受性错位误差[84]。

3.5b. 瞬逝耦合 PD

瞬逝耦合 PD 的一个例子是[52]中描述的器件。二提出了不同的 Si PIN PD 结构，称为 Type-I 和 Type-II在 λ = 405 nm 处进行蓝光检测，如图 6(b) 所示。 输入光为从 Si 层顶部的 Al2O3 波导与 Si 吸收瞬逝耦合地区。在 I 型 PD 中，Al2O3 波导位于掺杂 Si 脊形波导的顶部，它用作反向偏置 PIN 二极管 [图 6(b) 左上]。 这个结构

PIC 中的 VIS Si PD：(a) 火焰端耦合 Si 肋的示意图和 SEM 图像来自[84]的基于波导的APD。转载自 aCreative Commons 下的 [84]执照。(b) 用于蓝光的 I 型和 II 型 PIN PD 的示意图和显微照片检测来自[52]。© 2021 IEEE。经摩根等人许可转载，2021 年 IEEE 光子学会议，IPC 2021 - 会议记录 [52]。(c) SEM图像PIC 平台中的 SiN-on-Si PD 横截面、俯视原理图和光学来自[47]的不同波长（λ = 405–640 nm）下测试的PD的显微照片。根据知识共享许可从 [47] 转载。

表现出高效率，但遭受背反射。另一方面，II 型 PD 由两个 Si PIN 二极管组成，其中掺杂区域横向对齐像手指一样，由 Al2O3 波导穿过的间隙隔开顶部。研究 [52] 声称可以最大限度地减少背反射和吸收可以通过调节Si PIN二极管之间的间隙来控制。与 I 型结构相比，II 型结构显示出反射减少，因为Al2O3 波导和 PD 区域之间的有效折射率对比[如图。 6(b)]。 然而，II 型 PD 表现出更高的暗电流 (Idark)，为 90.85 µA与 I 型相比，I 型的 Idark 小于 1 nA。 报告的响应度 (Rp)I 型的值为 0.24 A/W，II 型的值为 0.25 A/W。使用 SiN 波导和体硅的瞬逝耦合 PD 的示例是报道于[47]。 在这种几何结构中，来自 SiN 波导的输入光会瞬间消失泄漏到波导下方包含 PN 或 PIN 结的 Si 台面中，如如图所示。 图2和6(c)中，光被吸收。 批量形成的 Si 台面Si，支持多种模式，有助于在宽波长范围内实现高效耦合范围。 该器件在记录波长范围内表现出超过 60% 的高 EQE横向磁极化的跨度从 λ ≈ 400 nm 到 λ ≈ 640 nm。对于 50 µm 长的 PIN PD，平均暗电流为 144 ± 42 pA (VB = −5V) 和 266 ± 65 pA (VB = -15 V) 被测量。 提取的 3dB 带宽光电响应为 4.4 ± 1.1 GHz (VB = -2 V) 和 8.6 ± 1.0GHz（VB = −20 V）。 PN 结 PD 作为 M 为 46 ± 14 的 APD 运行，并且雪崩击穿电压 (Vbr = −13.3 ± 0.9 V) 时 GBP 为 173 ± 30。 我们已经证明这些 PD 可作为单光子雪崩光电探测器运行（SAPD）在室温或接近室温下，暗计数率低于 100 kHz，并且具有单光子探测效率>6% [86]。 使用 SiN 的瞬逝耦合 PD在 SOI 上减少暗噪声，同时保持高外部量子效率目前正在研究中[87]。

4. 异构集成设备

如第 2 节所述，由于 VIS-PIC 平台中使用的波导材料如今，电介质没有任何 EO 或电子效应，具有以下功能：强或快速调制（超出 TO 和机械效应范围）、光发射和光学放大，其他材料应异构集成到平台上。 本节提供异构集成的概述用于高效相位调制器、高速 (GHz) 调制器的液晶 (LC)、以及用于激光器的化合物半导体。

4.1. LC 移相器

为了提高集成光学移相器的调制效率，广泛已经做出了研究努力来开发混合设备平台，该平台结合了具有光子波导的新型材料可利用更强的电光效应[88,89]。 这EO 材料与 PIC 的异构集成在以下方面特别有趣VIS 光谱，其中透明波导材料表现出低 TO 系数（第 3.2 节）。向列液晶是集成到 SiN 上的 EO 材料的一个示例光子平台可实现超紧凑、低功耗、低速（<1 kHz）光学可见光到红外波长的移相器[90-93]。 液晶通常用于平板显示器，但其独特的 EO 特性使其成为一种有吸引力的材料用于硅光子相位调制器。 与其他材料相比，LC向列相具有大但缓慢的 EO 响应 [93]。 虽然有可能在 LC 波导核心 [94] 中引导 VIS 光，用于与 CMOS 兼容的集成在光子平台中，使用液晶作为波导包层材料更容易[95]。图 7 显示了基于 VIS 集成 LC 的简单带状波导架构移相器。 该调制器由 SiN 波导和沉积在氧化物中的 LC 组成波导上方的窗口。 LC包层的折射率确定由 LC 指向矢决定，这是所有棒状 LC 分子的平均方向相对于光传播的方向。 人们可以利用光学各向异性并通过施加电压旋转 LC 指向矢来调整折射率包层介质的指数。 根据所用向列液晶的类型，材料的电控双折射可以在 0.07 到 0.5 之间[96]。由于 SiN 波导中传播模式的电场与LC包层，包层折射率的变化会导致波导的变化模式的有效折射率，从而直接调制光相位。 增加光学模式和液晶介质之间的相互作用提高了效率的相位调制器。

基于 VIS LC 的相位调制器的横截面，带有显示 LC 分子方向的简化示意图。当LC区域没有施加电压时，分子平行于 SiN 波导排列。当电压施加到在该装置中，分子旋转以与外部电场对齐，直到达到最大电压，此时它们垂直于波导。适应于获得 [90] © Optica Publishing Group 的许可。

为了旋转指向矢，需要施加足够大的电压克服液晶分子的初始取向。低于该阈值电压，称为 Fréedericksz 转变，分子将保持松弛状态，其中液晶的自由能密度最小化。适当的对准层可用于锚定 LC 分子并固定其指向矢的方向放松的状态。超过 Fréedericksz 门槛后，导演将开始轮换，直到它平行排列（对于具有正介电各向异性的液晶，Δϵ > 0）或垂直排列（对于 Δϵ < 0）施加的电场 [96]。[90] 中报道了 VIS LC 调制器的首次演示：将 500 µm 长的基于 LC 的移相器集成到 MZI 器件中并在波长下进行测量632.8纳米。该器件在所施加的电压范围内实现了 36π 相移6 Vpp。没有探讨该设备的响应时间。基于 LC 的调制器据报道，在红外波长下工作的响应时间范围为数百毫秒到低至几毫秒[97-99]。

4.2. 高速调制器

带宽 ≳ 1 GHz 的高速调制对于以下应用非常有用水下光通信、原子控制、激光控制、量子信息处理和激光投影显示[100-103]。 这样的调制速率是超出了当今 LC、MEMS 和 TO 器件的能力。 高速调制器利用 EO 现象，其中施加的电信号（例如电压）导致到亚纳秒响应时间的折射率变化。

4.2a. 基于载波效应的调制器

在硅调制器中，通常利用等离子体色散效应，其中自由载流子密度控制实部和虚部的调制折射率。 然而，绝大多数用于可见光和可见光的波导材料NIR PIC 是绝缘体，因为它们必须具有至少几个电子伏特以尽量减少吸收。 目前，基于载波效应的调制器VIS 光谱仍处于开发的早期阶段。

载流子引起的折射率变化已经在可见光波长下在具有导电氧化物的金属氧化物半导体（MOS）异质结构中测量到[104]。基于 SOI 上等离子体 MOS 模式、GHz 带宽的调制器在电信波长上得到了证明[105]，但是它们的实现目前缺乏 VIS 范围内的对应产品。另一种可能性是在二维层状材料中利用强光与物质的相互作用[106]。 具体来说，单层二硫化钼 (MoS2) 具有激子在 660 和 660 的特征波长下，可见光光谱范围内的跃迁610 纳米。 李等人。 [107]报道了一种利用单层的激子-等离子体调制器MoS2 和金纳米盘。 然而，该器件的调制带宽为由于电极电容的原因，频率限制在大约 10 MHz 左右。

4.2b。基于普克尔斯效应的调制器

普克尔斯效应是调制器的另一种选择。它依赖于二阶非线性磁化率 (χ(2)）的材料，其与波长无关并且不会引入额外的光学吸收。 泡克尔斯效应电光调制器有已在铌酸锂 (LiNbO3)、铝等其他平台中得到验证氮化物和EO聚合物。 在这些选项中，LiNbO3 受到青睐有以下几个原因：(1) 具有宽阔的透明窗口，延伸至350 nm波长，覆盖整个可见光光谱； (2) 它表现出高材料折射率，no = 2.32λ = 532 nm 时 ne = 2.23，从而可以使用高限制波导； (3)它显示出强烈的 EO 响应，沿晶体 z 轴的普克尔斯系数为r33 = 31 pm/V，其中折射率变化由下式给出： Δne = −12n3er33Ez; 和(4) 具有约1200°C的高居里温度，使其兼容与 BEOL 工艺。 假设有效指数的变化为电压 dneff/dV 大致保持恒定，EO 调制器效率更高，因为波长减小，因为 VπL =λ2(︂DNdVeff )︂−1与波长成正比。

目前市场上绝大多数 LiNbO3 调制器都采用低约束块状晶体中的波导。 波导是利用钛扩散、质子形成的交换、离子注入或直接激光写入。 这些低约束 LiNbO3波导具有大约 0.01-0.1 的小芯折射率对比度，并且它们典型的有效模式面积为 10 µm2在可见光波长范围内。弱光学限制对最小弯曲半径和由于辐射损耗和金属吸收而产生的电极间隙距离。 此外，实现由于大块 LiNbO3 基板的群速度匹配具有挑战性微波 (ϵMW,e = 28) 和光信号之间的介电常数不匹配（对于 λ = 633 nm，εe = 5.4）在 LiNbO3 中。解决这些挑战的一个有前途的替代方案是绝缘体上薄膜 LiNbO3(LNOI) 平台。 低损耗波导已被证明[27]，以及高效在 532 和 638 波长下半波电压 (Vπ) 低于 1 V 的调制纳米[108]。 在[108]中，作者采用了基于 1 厘米长的 Mach-Zehnder 调制器在 300 nm 厚的 LiNbO3 肋形波导上，包括 120 nm 厚的板。 这在 738 nm 处实现的 3dB 调制带宽为 35 GHz，主要受限于条状共面波导行波电极中的微波损耗。 其他研究[109]展示了使用电容负载的 532 nm EO 调制器电极设计可实现高达 25 GHz 的 EO 带宽，但受仪器限制。 光信号的群指数在 VIS 范围内显着更高（对于 λ = 532 nm，约为 2.5），电容负载电极可设计为达到相位匹配条件。正如第 2 节中提到的，LiNbO3 通常被认为与前端CMOS工艺，由于其蚀刻条件与Si和硅相关材料和 LNOI 基板的直径通常仅为 150 毫米（硅光子代工厂使用 200 纳米或 300 毫米基板）。 然而，铌酸锂

(a) [114]中混合薄膜 LiNbO3-on-SiN 调制器的俯视示意图，以及位置 (i)、(ii) 和 (iii) 处的横截面潮流剖面。(b) 光学混合调制器芯片的显微镜图像。(c) 制造工艺流程图（不是规模）。经 [114] © Optica Publishing Group 许可改编。

可以通过粘合已经图案化的芯片或晶圆来集成在后端在与 CMOS 兼容的低温下将完成的硅光子晶圆上线如图8所示并在[110]中讨论。这种方法已被证明可用于将 LiNbO3 集成到 SiN 波导上，波长范围为 λ ∼ 1550 nm [111–113]。最近，瓦尔迪兹等人。报道了 200-SiN 上的混合薄膜 LiNbO3 调制器毫米直径硅，具有 100 GHz EO 带宽和 1 V 低驱动电压λ = 784 nm [114]。 该器件及其制造如图 8 所示。然而，插入损耗为 12 dB，主要是由于 SiN 波导之间的过渡和混合区域[114]。 结果表明，短波长操作具有高移相器效率和设计优化的好处，例如使用多个SiN波导级[50]，可以降低插入损耗。 进一步制作和设计开发可以实现极其高效的混合 LiNbO3 调制器λ<1.1 µm。

4.3. 激光集成

将 VIS 和 NIR 激光源与 VIS-PIC 集成可以缩小尺寸整个微系统的一部分，在某些应用中至关重要，例如可穿戴设备显示。 从可见光到近红外的激光二极管使用不同的基材。 对于蓝色波长，半导体激光二极管生长在氮化镓 (GaN) 上衬底，而对于红色和近红外波长，激光器使用砷化镓(GaAs) 或磷化镓 (GaP) 衬底。 尽管正在努力延长GaN激光二极管波长更长，引起的压应变增加

与 (a) [124] 中的 SiN PIC 边缘对齐的法布里-珀罗 (FP) 激光二极管和（二）[123]。根据知识共享许可从 [124] 和 [123] 转载。（C）[125]中与 SiN 波导集成的 GaAs 基激光器的示意图。转载来自知识共享许可下的[125]。

InGaN 中的 In 含量可实现高能效且可靠的长波长发射具有挑战性[115]。外延生长GaN基发光二极管成为可能在硅衬底上并在硅上单片集成蓝光光源，但由于热膨胀系数和晶格常数存在很大的不匹配，在 Si 上实现室温、电泵浦 GaN 基二极管直到 2016 年才得到证实，并且仍然是一个活跃的研究领域 [116,117]。由于目前的激光二极管不共用同一硅衬底，因此它们与PIC异质集成。激光模式的有效指数化合物半导体，即 InGaN 波导（在 GaN 基激光器中），2.5左右，远高于SiN或Al2O3波导的有效指数。因此，将增益材料集成在PIC波导顶部以形成类似于[118-120]的混合模式，一种更高折射率的材料，例如TiO2，应用作 PIC 波导核心，以实现有效的折射率匹配和光功率的有效传输[121]。 混合模式激光器的优点是增益介质的放置具有高对准公差，因为模式由 PIC [118] 中的波导定义。 不过，或许是因为表面VIS 和 NIR 尚未实现混合模式 InGaN 激光器的粗糙度制度[121]。或者，激光源可以通过将激光二极管末端耦合到图片。 这种集成方法的缺点是对齐公差严格没有任何额外的耦合光学器件（垂直方向<1 µm）。 AFabry–Pérot 激光二极管可以主动对准 PIC 的边缘，如 [122–124] 中所示并如图所示。 图9(a)和9(b)。 集成激光模具的优点是激光模具可以在对准之前进行测试和烧制； 因此，只有已知良好的芯片与 PIC 共同封装以提高整体良率。 对于基于 GaAs 的激光器发射近红外光，[125]中报道了另一种与 SiN PIC 集成的方法，其中激光材料的试样被粘合到 PIC 晶圆中的预定义区域中，然后进行光刻图案化以形成激光器和过渡区域（参见[125]和图9（d）的补充信息）。 放大部分可以位于芯片内并且不限于芯片的边缘

从芯片顶部耦合激光二极管也是可能的。垂直型腔表面发射激光器（VCSEL）可以粘合在 PIC 中的光栅耦合器顶部 [126–131]。然而，这种方法仅在 λ = 850 nm 附近得到证实，尚未在由于短波长 VCSEL 的可用性有限，可见光范围受到影响。光子引线键合为将激光器集成到 PIC 中提供了另一种途径[132]。 该技术涉及使用聚焦激光束写入 3D 结构通过双光子聚合在聚合物中连接不同的光子器件。然而，光子引线键合可能不是 VIS-PIC 的最佳方法，因为对长期稳定性和特征尺寸的担忧。 除了有潜力之外由于具有光吸收性，聚合物材料会快速降解并老化暴露于短波长，特别是蓝色和绿色波长范围内。光引发剂在这些波长下具有化学活性。 此外，实现使用双光子激光写入的单模波导的亚微米宽度聚合物具有挑战性。由于可见光和近红外硅光子学的激光集成尚处于萌芽阶段，上述方法以及其他方法，例如芯片和倒装芯片接合或混合模式具有多个波导层的设计需要进一步研究。 评论Si 上的激光集成方法可以在[133]中找到。 热量等重要问题耗散、温度依赖性、电插效率和可靠性仍然存在被探索。