基于III-V化合物半导体与硅异质集成的硅基光放大器

硅光子芯片的制作成本低、集成度高、产量大，被认为是最具有发展前景的光集成芯片平台。但实现硅基有源光电子器件存在困难，特别是激光器、放大器等。本项目旨在通过III-V化合物半导体和硅异质集成的方法，实现宽工作波长范围、高效率、高增益、低噪声、高集成度的硅基光放大器，并能与单模硅纳米线波导进行高度集成。发展和改进现有的聚合物辅助键合的工艺，提高对聚合物键合层厚度的控制能力；通过改进III-V有源区域的波导形状，优化耦合结构，在放大区域与单模硅纳米线波导之间，实现高效、宽波长范围的光耦合；研究高效率的光泵浦方式，优化结构和泵浦参数，提高信号光增益，增大转换效率，实现实用的硅基光放大器，并研究以此为基础的各种光处理器件。本项目计划在国内率先建立并发展III-V和硅的聚合物辅助键合的关键技术，攻克高集成度硅基光放大器这一难题，使硅基成为一个完善的光子芯片平台，促使其进一步发展。

本项目旨在通过III-V 化合物半导体和硅异质集成的方法，实现有源器件与单模硅纳米线波导进行高度集成，形成包括光放大器在内的各种硅基有源器件，以此为基础研究各种光处理器件。项目自2012年1月立项，2014年12月申请结题。项目执行3年以来，按照计划基本完成项目研究内容，并在：III-V 化合物半导体和硅异质集成工艺；高效率、高集成度光耦合器的设计和应用；以及基于上述工艺和设计的各种异质集成型光电子器件方面，取得了一定的成果。我们研究了Si纳米线波导之间偏振交叉耦合效应，实现了一种硅基偏振分离和旋转器。该器件紧凑，长度仅几十微米，性能优异，在整个C波段的插入损耗优于-0.6dB、消光比高于12dB。我们设计了一种用于异质集成中的Si和IIIV波导之间耦合超短绝热taper，该taper采用准三维设计，taper长度只有传统的约1/10（小于10um），是目前利用III/V异质集成技术中最短的taper设计。我们研究了苯并环丁烯（BCB）聚合物辅助键合的工艺，提出了一种新型双面刻蚀的IIIV纳米线波导结构。该波导在各个方向上都具有强限制，在有源区具有更大的限制因子，因此可以更好实现如光放大器等有源器件。同时，由于采用双面刻蚀的工艺，可以仍然采用电注入的形式，更适合应用于光电集成芯片。采用研究的聚合物键合工艺，我们还实现了高灵敏度的相位传感型硅基微环传感器。结合上述提到的异质集成的工艺和耦合设计，我们设计了多通道波分复用型光处理芯片。通过集成2个阵列波导光栅复用器\解复用器和12个异质集成有源器件，我们实现了集合传输速率达到180Gbps光发射芯片，指标处于国际领先水平。项目执行期间，共发表文章6篇（其中影响因子大于9的1篇），在投3篇；发表论著章节1篇；国际学术会议邀请报告1篇；申请专利2项。另外，经由本项目由负责人协调，于2012年11月7日至2012年11月10日，在广州花园酒店举办了2012年亚洲通信与光电子国际会议（Asia Communications and Photonics Conference 2012 ACP）。ACP是目前亚太地区规模最大、参会人数最多、影响力最广泛的光电子学术会议，被誉为“国际三大光通信会议”之一。依托本项目，该次会议申报了国家自然基金国际合作与交流项目，并获得的资助，也已顺利结题。项目执行期间还培养了硕士研究生两名。