光纤光栅解调光路的CMOS工艺兼容硅基锗光子集成关键技术研究

The development of silicon photonics provides a feasible technology for compact optical system. Low-cost and large-scale production of photonic integrated chip can be realized by using a mature semiconductor technology. Based on research on the demodulation of fiber grating sensor system, fiber grating demodulation optical path III–V hybrid photonic integration, and silicon-based monolithic optoelectronic integration, this project studies the key technologies of silicon-based germanium photonic integration for a fiber grating demodulation system that is compatible with CMOS technology. This research covers the growth, structure characterization of optical source for optical fiber grating demodulation (1550 nm) of Si-based Ge vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) quantum well-active region and distributed bragg reflector material and the basic theory of materials and process compatibility for the fabrication of all epitaxial devices. Silicon-based long-wavelength germanium waveguide detector coupled with evanescent wave is also investigated. Furthermore, the theory of vertical grating coupling and evanescent wave coupling in fiber grating demodulation photonic integration is also studied to examine the following: fabrication and connection of all epitaxial structures, and photonic integrated chip demodulation of on-chip VCSEL optical source, vertical grating coupler, MMI coupler, AWG, germanium waveguide detector, and other functional units. Results overcome some disadvantages of the demodulation system of fiber grating, including larger size and high cost. Results will also play an important role in the application and development of fiber grating sensor demodulation.

硅基光子学的发展为光学系统小型化提供了一种可行的技术，利用成熟的半导体工艺可以实现光子集成芯片的低成本、规模化生产。本项目旨在建立“光纤光栅光子学”与“半导体光电子学”之间的交叉融合，开展与标准CMOS工艺兼容的光纤光栅解调光路的硅基Ⅳ族锗材料光子集成关键技术研究，主要研究光纤光栅解调光路光子集成中各功能器件的物理模型及器件机理，探索硅基IV族锗同材料系异带隙材料生长及其CMOS兼容制备工艺，重点研究光纤光栅解调用长波长硅基锗垂直腔面发射激光器和倏逝波耦合锗波导探测器的材料生长、结构表征、全外延器件制作等基础理论研究，深入研究光纤光栅解调光路各功能器件之间光耦合接口不同结构参数对模式传导及模式耦合特性的影响，研制出一种CMOS工艺兼容的新型光纤光栅解调硅基光子集成功能器件。本项目研究成果克服目前光纤光栅解调系统体积较大、成本较高等缺点，必将对光纤光栅传感解调应用的发展起到重要推动作用。

项目以阵列波导光栅解调光路为研究对象，研究了Ge/Si量子阱半导体激光器、Ge量子点阵列半导体激光器、锗波导光电探测器及其它多模干涉耦合器、端面耦合器、弯曲波导、阵列波导光栅等功能单元器件和工艺制备。项目设计了一种基于张应变N掺杂的Ge/Si量子阱半导体激光器，重点优化设计了激光器的有源区、谐振腔、波导和电极结构，在300K、1.5V下发光功率为2.32mW、中心波长为1559nm；设计了一种基于张应变N掺杂的Ge量子点阵列半导体激光器，重点通过能量提升法精确计算了Ge直接带隙转变所需N掺杂浓度，在300K、2.5V下发光功率为5.31μW、中心波长为1513nm，TM增益高达8485cm-1；设计了一种横向PIN结构的高量子效率、低暗电流的锗波导光电探测器，尺寸为8μm×25μm，锗层厚度为500nm，其波长响应范围为1530-1566nm，该器件耦合效率达到90%以上，在外加偏压由0-2V的反向偏压下暗电流小于1.7×10-13A，暗电流密度约为42.5mA/cm2，1V偏压下光电探测器在C波段响应度的平均值达到1.02A/W，量子效率η为87.8％，2V偏压下光电探测器在C波段响应度的平均值达到了1.07A/W，量子效率η为93.5％；利用时域有限差分法对端面耦合器和光栅耦合器进行了理论分析和优化设计，倒锥形端面耦合器最高耦合效率可达93.33%，在器件尺寸不变的情况下将附加损耗从1.09dB降至0.36dB，汇聚型光栅耦合器耦合效率可达30.7%，且将尺寸减小到了传统光栅耦合器的1/6；利用光束传播法对阵列波导光栅和多模干涉耦合器进行了优化设计，基于比利时iSiPP50G有源工艺完成了阵列波导光栅解调光子集成芯片的流片，在此基础上进一步完成了光子集成芯片的水平端面光纤耦合封装和片上光源键合，在窄带光源下实现了阵列波导光栅解调光子集成芯片的温度和心音解调测量。实验结果表明：阵列波导光栅解调光子集成芯片片上光源中心波长分别为1545.34nm、1548.53nm、1551.33nm、1553.51nm，解调波长分辨率为1pm，35-42℃温度范围内测量误差为±0.1℃，50-100Hz频率范围内心音可检测的最小波长变化为4pm，可以实现对所提取的心音包络判断心音峰值点和起止点。