硅波導(dǎo)寬帶近紅外光源增強(qiáng)片上光譜傳感性能

硅光子集成光路（PIC）代工廠(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)通信、激光雷達(dá)（LiDAR）到生物化學(xué)傳感等應(yīng)用的完整片上電光系統(tǒng)的晶圓級(jí)制造。然而，到目前為止，硅的間接帶隙阻礙了其在這些系統(tǒng)中用作片上光源。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（Naval Research Laboratory）的科研團(tuán)隊(duì)展示了集成硅波導(dǎo)內(nèi)電流注入產(chǎn)生的寬帶發(fā)射。研究人員推導(dǎo)了一個(gè)基于普朗克輻射定律的理論架構(gòu)，并針對(duì)一維光子（即波導(dǎo)）幾何中的熱載流子進(jìn)行了改進(jìn)。研究結(jié)果表明，這種光源在寬帶波導(dǎo)光子組件的表征以及液體分析物的吸收光譜方面具有顯著的效用。這種硅波導(dǎo)光源是在最先進(jìn)的硅光子代工廠(chǎng)（美國(guó)集成光子制造創(chuàng)新中心，AIM Photonics）中以標(biāo)準(zhǔn)工藝制造的，因此可立即集成到更復(fù)雜的光子集成光路中。這項(xiàng)研究成果以“Broadband near-infrared emission in silicon waveguides”為主題發(fā)表在Nature Communications期刊上，通訊作者為Marcel W. Pruessner。

寬帶發(fā)射器被集成到亞微米肋形波導(dǎo)中，如圖1所示。硅（Si）層可以被制成用于C波段的單模操作的脊形（完全蝕刻）或肋形（半蝕刻）波導(dǎo)。如圖1a所示，將未摻雜的肋形波導(dǎo)橫向放置在p摻雜硅片與n摻雜硅片之間（如圖1b），形成P-i-N發(fā)射器。隨后，研究人員使用圖2a中的測(cè)量裝置對(duì)其發(fā)射光譜進(jìn)行了定量測(cè)量。

圖1 P-i-N波導(dǎo)發(fā)射器

圖2 測(cè)量發(fā)射光譜

接著，研究人員將對(duì)硅表面法向（surface-normal）P-i-N二極管中熱載流子發(fā)射的研究與所測(cè)量的功率譜密度的頻率依賴(lài)性相結(jié)合，從而表明該波導(dǎo)中的反向偏置（reverse-bias）發(fā)射是間接帶內(nèi)作用的結(jié)果。間接帶內(nèi)光子發(fā)射可以由空穴、電子或兩者組合產(chǎn)生。如圖3a所示，反向偏置發(fā)射需要來(lái)自聲子或材料缺陷的載流子散射來(lái)保持動(dòng)量。硅導(dǎo)帶（價(jià)帶）中的熱電子（空穴）通過(guò)帶內(nèi)黑體作用發(fā)射紅外光子。

圖3 反向偏置發(fā)射過(guò)程

亞微米硅波導(dǎo)中的寬帶熱載流子發(fā)射為納瓦級(jí)，可用于集成光子元件的片上表征，而無(wú)需片外可調(diào)諧激光器或?qū)拵Ч庠础榱俗C明這一點(diǎn)，研究人員將來(lái)自硅發(fā)射器的光耦合到保偏（PM）光纖，該光纖連接至另一個(gè)PIC芯片（如圖4a），該P(yáng)IC芯片具有各種寬帶集成光子組件，這些組件可與硅發(fā)射器在同一個(gè)PIC芯片中制造。該研究對(duì)兩種光學(xué)器件進(jìn)行了表征，二者分別是一對(duì)非平衡馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）以及用于無(wú)源濾波的晶格濾光片，相關(guān)表征結(jié)果如圖4b和圖4c所示。

圖4 使用寬帶P-i-N發(fā)射器的兩種光學(xué)器件的表征

該波導(dǎo)發(fā)射器還支持用于化學(xué)傳感的波導(dǎo)紅外吸收光譜（WIRAS）。與上述兩種光學(xué)器件表征類(lèi)似，研究人員通過(guò)PM光纖將硅發(fā)射器耦合到傳感芯片上（如圖5a）；未來(lái)可以將硅發(fā)射器與傳感波導(dǎo)集成在同一襯底上。

圖5 液體分析物的吸收光譜

綜上所述，這項(xiàng)研究介紹了一種在最先進(jìn)的300 mm硅光子代工廠(chǎng)制造的完全集成的寬帶硅波導(dǎo)光源。硅波導(dǎo)中的反向偏置P-i-N二極管可直接發(fā)射寬帶近紅外光輻射，從毫安級(jí)電流中可產(chǎn)生納瓦級(jí)波導(dǎo)光功率。研究人員建立了熱載流子帶內(nèi)發(fā)射的一維普朗克輻射模型，從理論角度論述了熱載流子帶內(nèi)發(fā)射。隨后，通過(guò)將該硅波導(dǎo)光源用于光子組件（包括馬赫-曾德干涉儀和晶格濾光片）的寬帶特性表征以及液相分析物的波導(dǎo)紅外吸收光譜分析，研究人員證明了器件的有效性。這種寬帶硅基光源可直接與波導(dǎo)和光電探測(cè)器集成，無(wú)需改變現(xiàn)有制造工藝，有望立即應(yīng)用于光譜學(xué)、計(jì)量和傳感領(lǐng)域的片上電光系統(tǒng)。