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2 μm波段片上光子集成器件的研究进展.docx
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2 μm波段片上光子集成器件的研究进展.docx
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0. 引 言
大数据业务的普及导致网络流量的迅速增长,光纤通信系统面临传输容量扩容的迫切
需求。目前 C+L 波段的光传输系统正逐步走向商用,传输容量可在现有 C 波段光通信的基
础上提升 1~2 倍。但持续增长的带宽需求促使人们不断地对新波段进行探索。尽管光传输
波段在近红外有可能进一步向 S 波段甚至 O 波段拓展,但如此宽谱的光纤放大问题是一大
挑战。事实上,在位于近红外与中红外之间的 2 μm 波段,掺铥光纤具有超过 200 nm 的增
益谱宽并且放大器已经商用,使这一波段的宽带光通信具有一定可行性
[1]
。2005 年,
Roberts 等理论上预测一种空芯光子晶体光纤在 2 μm 波段的损耗低至 0.1 dB/km
[2]
,2 μm
波段在光通信领域的潜力迅速吸引了人们的注意。2012 年欧洲光通信大会(ECOC)上,首
次报道了基于空芯光子带隙光纤的 2 μm 波段光传输,速率为 8 Gbit/s
[3]
。随后,基于这一
新波段的光传输研究备受关注
[4-7]
,国内外学者一直致力于提升传输速率与容量先后报道了
多种光传输的方案,目前已实现单通道 100 Gbit/s 的速率
[8]
。此外,2 μm 波段为大气低损
耗传输窗口和人眼安全波段,在自由空间激光通信、遥感、成像等应用领域也具有极大潜
力。
然而,2 μm 波段的有源和无源器件体系还很不完善。尽管窄线宽半导体激光器、电
光调制器、光电探测器、滤波器等已商用,但在性能、功能和成熟度上仍不及传统 C 波段
器件。长期以来受到光通信产业的驱动,光电子器件的研究尤其是集成光学的发展也主要
集中在近红外的几个低损耗窗口。随着光纤通信窗口向新波段延伸,2 μm 波段的光电子器
件研究正在兴起。尤其是集成光学领域,2 μm 波段的硅光子器件研究十分活跃。其他如
III-V 族、铌酸锂薄膜、氮化硅、硫系玻璃等材料体系的片上功能性器件也取得了诸多进
展。笔者回顾了近年来 2 μm 波段片上光电子器件的研究进展,从有源和无源器件两方面
进行介绍,同时展望了新波段集成光电子器件的发展方向。
1. 有源器件
1969 年,贝尔实验室的 Stewart Miller 首次提出集成光学的概念,而片上集成也是光
电子器件的发展趋势。其中,有源器件如激光器、光放大器、调制器和探测器等是片上集
成的核心器件。这节将重点介绍 2 μm 波段片上激光器、光放大器、电光调制器和光电探
测器的最新研究进展。
1.1 激光器和光放大器
激光器和光放大器是有源器件的重要组成部分。在 2 μm 波段,半导体激光器、光纤
激光器、半导体光放大器和掺铥光纤光放大器等分立器件都已经商用,为新波段光通信的
研究奠定了一定基础。近年来,基于异质集成的片上激光器和光放大器也取得了一些进
展。2014 年,Gu 等报道了一种基于 InP 的 type-I 型量子阱半导体激光器
[9]
,其工作波长为
2.4 μm,峰值输出功率为 11 mW。2016 年,Wang 等通过将 III-V 族材料和 SOI 异质集
成,采用 type-II 型量子阱作为有源区,产生了中心波长为 2.32 μm,输出功率为 1.3 mW 的
激光
[10]
。除了 III-V 族半导体激光器外,还可以在介质中掺杂稀土离子(Tm
3+
、Ho
3+
)
[11-12]
作
为增益介质实现粒子数反转,从而产生 2 μm 波段的激光。除此之外,Latawiec 等基于拉
曼效应实现了一种 2 μm 波段的片上连续可调谐激光器
[13]
,可调谐波长范围大于 100 nm,
输出功率大于 0.25 mW。
在片上光放大器方面。2017 年,Volet 等报道了硅基 III-V 族异质集成的半导体光放
大器
[14]
,器件增益为 13 dB。2019 年,Kiania 等则在氮化硅平台实现了增益为 7.6 dB 的掺
铥氧化碲波导光放大器
[15]
。表 1 总结了各类激光器以及光放大器的增益介质材料、工作波
长、输出功率/增益等性能参数。总体来说,2 μm 波段片上激光器和光放大器大多基于 III-
V 族和稀土掺杂的有源材料与衬底异质集成的方案,在性能上还有较大提升空间。另外,
基于高 Q 值微腔的克尔孤子光学频率梳有望在 2 μm 实现多波长相干光源,尤其是硅基微
腔在该波段由于双光子吸收的减弱而具有较大潜力,为片上光源提供了一种潜在的新途
径。
表 1 已报道的 2 μm 波段片上激光器和光放大器性能
Tab. 1 Reported performance of on-chip lasers and optical amplifiers at 2 μm band
Ref.
Device
Active
material
Operating wavelength
/μm
Output power/Gain
[9]
Laser
InAs/InGaAs
2.4
11 mW
[10]
Laser
InGaAs/GaAsSb
2.32
1.3 mW
[16]
Laser
InGaAs/GaAsSb
2.2-2.4
NA
[11]
Laser
TeO
2
:Tm
3+
1.815-1.895
4.5 mW
[12]
Laser
Al
2
O
3
:Ho
3+
2.02-2.1
15 mW
[13]
Raman laser
Diamond
1.95-2.05
>0.25 mW
[14]
Amplifier
InP/GaInPAs
2
13 dB
[15]
Amplifier
TeO
2
:Tm
3+
1.86-2
7.6 dB
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1.2 调制器
硅基电光调制的原理主要基于载流子色散效应,在波导掺杂形成的 P-N 结内,通过载
流子浓度的变化对光的折射率进行调制。根据 Lorentz-Drude Model
[17]
,硅波导 P-N 结的载
流子调制效应与波长平方成正比,理论上 2 μm 波段的硅基调制效率比 C 波段更高。而且
随着工作波长拓展到 2 μm,硅材料的非线性双光子吸收显著减小
[18]
,使得调制器饱和功率
更高。2012 年,IBM 公司首次在 2165 nm 报道了一种基于自由载流子注入型的硅基马赫增
德调制器(MZM)
[19]
。该调制器的实测 V
π
·L 为 0.12 V·mm,静态消光比为−23 dB,但受到注
入载流子寿命的限制,最终只实现了 3 Gbit/s 的高速信号的调制。该工作首次从实验上验
证了硅波导自由载流子色散效应在 2 μm 波段用于高速调制的可行性。随后,2018 年,南
安普顿大学 Cao 等在 2 μm 波段基于载流子色散效应分别报道了载流子耗尽型的 MZM 和
微环调制器(MRM)
[20]
。其中,MZM 在 1950 nm 波长实现了 20 Gbit /s 的 NRZ 调制格式信
号的调制,消光比为 5.8 dB,插入损耗为 13 dB。在 4 V 反向偏压下,调制效率(V
π
·L
π
)为
2.68 V·cm。MRM 则在 2 μm 波段实现了 3 Gbit /s 的幅度调制,消光比为 2.3 dB,功耗为
2.38 pJ/bit。2020 年,笔者也在 2 μm 波段报道了基于单端推挽式行波电极的 MZM,并基
于该调制器实现了 50 Gbit/s 的 NRZ 调制
[21]
。2021 年,笔者课题组研制的硅基 MZM 性能
得到进一步提升,实现了 80 Gbit/s PAM-4 的高速调制
[22]
,并在实验上测得调制带宽超过
18 GHz,调制效率为 1.6 V·cm。此外,上海交通大学 Shen 等基于硅基微环实现了 18 GHz
电光带宽和<1 V·cm 调制效率的低功耗调制器
[23]
。该调制器在波长 1960 nm 处实现了 50
Gbit/s 的高速调制,这也是目前已公开报道的 2 μm 波段硅基微环调制器的最高调制速率。
近年来,薄膜铌酸锂的生长、键合以及刻蚀工艺得到显著进展,解决了铌酸锂体调制器驱
压过高的问题。Wang 等在 C 波段基于薄膜铌酸锂材料实现了仅需 0.2 Vpp 驱动电压,达到
了直驱水平
[24]
。浙江大学 Pan 等则首次在 2 μm 波段报道了薄膜铌酸锂调制器
[25]
V
π
为 7.34
V,调制效率为 3.67 V·cm。而且该调制器实现了 25 Gbit/s 的调制速率,3 dB 带宽>22
GHz。图 1 总结了截止到目前 2 μm 波段片上调制器的研究进展。可以看出 2 μm 波段片上
MZM 的发展非常迅速,性能提升也很大,但 MRM 的发展才起步。并且随着铌酸锂工艺
的突破,有望实现 2 μm 波段硅/铌酸锂异质集成的高性能调制器。
图 1 2 μm 波段片上调制器研究进展
[19-23,25]
Fig. 1 Research progress of on-chip modulators in 2 μm waveband
[19-23,25]
下载: 全尺寸图片 幻灯片
1.3 探测器
光电探测器是光通信系统接收端的关键有源器件。锗材料因其 CMOS 兼容性,在
1.31 μm 和 1.55 μm 波段的硅基光子集成中广泛用于片上光电探测。但锗材料的本征吸收在
2 μm 显著降低,在这一波段并不是理想光电探测材料。为此,人们报道了多种基于硅基衬
底的能带工程方法,提高 2 μm 波段的光电探测效率。第一种方法是利用材料的应力改变
能带结构,增强本征吸收。硅基衬底上进行锗外延的过程中由于晶格失配导致的应变会使
锗材料吸收边带红移,Anthony 等报道的锗 SACM 雪崩探测器在 1 850 nm 处实现了 0.31
A/W 的响应度,但在 1 970 nm 波长探测器响应度很快降至 0.08 A/W
[26]
。第二种方法是引
入缺陷态能级增强吸收,该方案在 1 550 nm 的硅探测器中已经得到广泛验证。2015 年,南
安普顿大学的 Ackert 等通过对硅波导进行低剂量的惰性离子注入,并优化退火条件引入晶
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