JPhysD编辑优选：短波中红外硅基光栅耦合器
本篇研究来自天津大学程振洲和深圳大学王佳琦课题组。本文主要介绍了多项目晶圆（Multi Project Wafer，MPW）工艺广泛应用于硅基光电器件和片上集成系统的研发，但过去的研究主要是面向通信波段和2微米以下波段开展。论文首次系统探讨了采用MPW工艺研发短波中红外（2-2.5微米波段）硅基光栅耦合器的可行性，探究了基于MPW工艺所能开发的最长波段硅基光电子器件，在通信、测距、分子传感等领域极具应用前景。
文章介绍
Grating couplers beyond silicon TPA wavelengths based on MPW
Weicheng Chen（陈威成）, Jingwen Wu（武靖雯）, Dian Wan（万典）, Jie Wang（王杰）, Jiaqi Wang（王佳琦）, Yi Zou（邹毅）, Zhenzhou Cheng（程振洲） and Tiegen Liu（刘铁根）
通讯作者：
- 程振洲, 天津大学精密仪器与光电子工程学院
- 王佳琦, 深圳大学物理与光电工程学院
论文系统研究了基于MPW工艺开发的短波中红外横电模（TE0）硅基光栅耦合器和波导器件。根据材料特性可知，在2-2.5微米波段，基于硅-绝缘体（SOI）晶圆制作的波导器件兼具低波导（Si）双光子吸收和低包层（SiO2）光学吸收的优势（图1）。首先，分析比较了二维亚波长（subwavelength）光栅和一维刻蚀光栅的性能。理论结果表明，亚波长光栅耦合器具有更好的方向性，更有利于实现高效率的芯片光场耦合。其次，实验开发了硅基聚焦亚波长光栅耦合器和波导器件（图2）。测试结果表明，在中心波长2.36 μm处，制作的聚焦亚波长光栅耦合器的最大耦合效率为-7.8 dB，3 dB耦合带宽约为90 nm，实验与理论结果一致（图3）。同时，探究了同一流片批次不同芯片上具有相同设计的器件可重复性。实验测得，耦合效率的标准偏差约为0.5 dB，并且，通过微亚波长结构的填充因子，可进一步控制聚焦光栅耦合器的耦合中心波长从2.36 μm移动到2.40 μm，器件加工具有出色的鲁棒性。最后，实验展示了短波中红外光栅耦合器对光纤耦合角度和耦合位置均具有很高的测量容差。本论文的研究对基于MPW工艺开发高质量、低成本、大面积集成的短波中红外硅基光电器件具有积极的指导意义，可服务通信、测距、分子传感等领域应用的发展。
图1 短波中红外硅基波导器件兼具低波导双光子吸收和低包层光学吸收的优势。
图2 采用MPW工艺制作的聚焦亚波长光栅耦合器和波导的扫描电镜图。（a）光栅耦合器和波导器件。（b）光栅耦合器。（c）波导。
图3 同一流片批次不同芯片上聚焦亚波长光栅耦合器的测量结果。
研究背景：
短波中红外（2-2.5微米波段）硅光子学在通信、测距、传感等方面具有广泛应用。首先，随着信息时代的到来，光通信带宽正逐渐逼近其香农极限，光通信和光互连的研究近年来已向2微米及以上波段发展。其次，2-2.5微米波段几乎不与水分子的红外吸收区重叠（1.7-2.0和2.4-3.3微米），此波段可用于开发自由空间光通信和雷达测距应用。并且，2-2.5微米的光子能量对应于许多气体分子的基频跃迁，为开发气体传感芯片带来了巨大机遇。另一方面，多项目晶圆（Multi Project Wafer，MPW）工艺广泛应用于研发硅基光电器件和片上集成系统，但相关研究主要是面向通信波段和2微米以下波段开展。探究MPW工艺所能开发的最长波段硅基器件，推动上述短波中红外硅光应用的发展是一个非常值得探究的课题。
作者介绍
程振洲 教授
天津大学
- 程振洲，天津大学教授，光电信息技术教育部重点实验室副主任，从事硅基光子学研究。主持NSFC国际合作/面上/青年基金、JSPS科研费等项目，在Nature Photonics等期刊发表论文100余篇，获全国大创优秀指导教师、香港科学会青年科学家等奖项。
王佳琦 助理教授
深圳大学
- 王佳琦，深圳大学助理教授，研究方向为硅基光子学技术和光纤传感器技术。
期刊介绍
- 2021年影响因子：3.409 Citescore：5.7
Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。