光子集成：改变芯片级应用的未来

在光子学领域中，将多个光学器件集成到单个基板上具有广泛的应用前景。这种革命性的方法，被称为光子集成，包括减小尺寸、降低成本和功耗等方面具有显著的优势。在光子学的主要集成技术中，有两种技术最为突出：基于磷化铟(InP)的光子集成技术和单片硅光子技术。每种技术都有其独特的优点和缺点。

基于InP的光子集成被广泛认为是一种可靠且全面的有源-被动平台。然而，它在产量和基板尺寸方面面临限制。另一方面，单片硅光子学具有出色的无源性能、对温度不敏感的调制器以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造的兼容性。然而，缺乏光源阻碍了这项技术的发展。

令人兴奋的是，研究人员提出了一种突破性的有源-无源光子集成方案，展示了一种非凡的光子集成电路芯片。

基于硅基氮化镓平台的有源-无源功能的光子集成。

据Advanced Photonics Nexus报道，该芯片结合了光源，调制器，光电二极管（将光转换为电流的器件），波导（光传播的通道）和Y分支分路器，所有这些都基于硅上氮化镓（GaN）平台。这种方法的不同之处在于，所有有源器件（包括光源、调制器和光电二极管）都基于相同的紫外 InGaN/AlGaN 多量子阱 （MQW） 结构构建。这一独特功能大大降低了制造复杂性和成本。

为了实现这一概念，研究人员设计了基于硅基氮化镓平台的光子集成电路芯片，利用通过金属有机化学气相沉积生长的III氮化物外延层。这种自上而下的单片方法在传统的硅基氮化镓晶圆上构建III氮化物发射器、调制器、波导、分束器、接收器和监视器，不涉及再生或生长后掺杂。

研究人员从各个角度对所得芯片进行了广泛的表征，以验证这种创新光子集成方案的有效性。主要结果表明，施加到调制器的较高反向偏置电压会导致光吸收增加，这是由吸收系数变化引起的。

这种独特的调制效应反映在接收器的光电流变化中。测试系统显示串扰可以忽略不计，并且通过p接触层分离实现的同一波导上的光源和调制器之间的隔离被证明足以实现最佳系统性能。

该系统使用光成功传输和处理数据。通过在单个光路内采用直接和间接调制，研究人员同时传输两种类型的数据，或者将一个调制信号的数据传输与另一个调制加密。

南京邮电大学Peter Grünberg研究中心的实验室负责人和高级通讯作者Yongjin Wang说：“展望未来，随着III氮化物刻蚀精度的进一步发展，所提出的集成方案作为下一代光子集成的竞争解决方案具有巨大的潜力，特别是在传感领域，高集成密度不是关键要求。”

相关链接：https://phys.org/news/2023-06-photonic-future-chip-scale-applications.html