硅光子集成光路（PIC）代工廠能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)通信、激光雷達（LiDAR）到生物化學傳感等應(yīng)用的完整片上電光系統(tǒng)的晶圓級制造。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)麥姆斯咨詢報道，近日，美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory）的科研團隊展示了集成硅波導內(nèi)電流注入產(chǎn)生的寬帶發(fā)射。研究人員推導了一個基于普朗克輻射定律的理論架構(gòu)，并針對一維光子（即波導）幾何中的熱載流子進行了改進。研究結(jié)果表明，這種光源在寬帶波導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。這種硅波導光源是在最先進的硅光子代工廠（美國集成光子制造創(chuàng)新中心，AIM Photonics）中以標準工藝制造的，因此可立即集成到更復雜的光子集成光路中。這項研究成果以“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。如圖1a所示，將未摻雜的肋形波導橫向放置在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中的測量裝置對其發(fā)射光譜進行了定量測量。

圖1 P-i-N波導發(fā)射器

圖2 測量發(fā)射光譜

接著，研究人員將對硅表面法向（surface-normal）P-i-N二極管中熱載流子發(fā)射的研究與所測量的功率譜密度的頻率依賴性相結(jié)合，從而表明該波導中的反向偏置（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)射需要來自聲子或材料缺陷的載流子散射來保持動量。硅導帶（價帶）中的熱電子（空穴）通過帶內(nèi)黑體作用發(fā)射紅外光子。

圖3 反向偏置發(fā)射過程

亞微米硅波導中的寬帶熱載流子發(fā)射為納瓦級，可用于集成光子元件的片上表征，而無需片外可調(diào)諧激光器或?qū)拵Ч庠?。為了證明這一點，研究人員將來自硅發(fā)射器的光耦合到保偏（PM）光纖，該光纖連接至另一個PIC芯片（如圖4a），該PIC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PIC芯片中制造。該研究對兩種光學器件進行了表征，二者分別是一對非平衡馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）以及用于無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)射器的兩種光學器件的表征

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

圖5 液體分析物的吸收光譜

綜上所述，這項研究介紹了一種在最先進的300 mm硅光子代工廠制造的完全集成的寬帶硅波導光源。硅波導中的反向偏置P-i-N二極管可直接發(fā)射寬帶近紅外光輻射，從毫安級電流中可產(chǎn)生納瓦級波導光功率。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，通過將該硅波導光源用于光子組件（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和光電探測器集成，無需改變現(xiàn)有制造工藝，有望立即應(yīng)用于光譜學、計量和傳感領(lǐng)域的片上電光系統(tǒng)。