面向可见光通信的硅基InGaNGaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片.docx
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2023-02-23
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1. 引言
可见光通信是一种利用可见光信号进行数据传输的新型通信技术，受到调制的电信号
控制的发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)发出高速闪烁的可见光信号可以高效传输信
息
[1,2]
。在可见光通信系统中，光子集成芯片是实现可见光信号发射、处理、传输和接收的
关键终端器件，具有很高的技术要求和研究价值
[3,4]
。光子集成技术是在一片基片上将若干
光器件用光波导连接，可减少可见光通信系统中需要的独立光器件的数量和光器件封装次
数。在降低系统成本、尺寸和能耗的同时使得系统性能及可靠性得到大幅提高。光子集成
芯片可以在超小尺度范围内实现电信号与光信号的高速转换，光子集成芯片作为终端器
件，其性能会对可见光通信系统的整体性能产生影响
[5]
。在面向可见光通信的光子集成芯
片领域，III 族氮化物材料作为第 3 代半导体材料的典型代表，具有宽波段下光吸收率低、
可产生覆盖整个可见光波段的宽谱光信号等优异的光学特性和光电特性，是继锗、硅和砷
化镓材料体系之后最有前景的半导体材料之一，适合用来实现可见光通信系统亟需的终端
器件
[6,7]
。
定向耦合器
[8,9]
作为光子集成芯片中的关键器件之一，具有传输、耦合和分配光信号的
作用。早期定向耦合器基于石英材料，主要应用于微波波段，在微波传输系统中通常需要
将某一输入功率按照一定比例分配到各个支路中去。定向耦合器由于具有插入损耗小、频
段宽、能承受较大输入功率等优点，得到广泛应用
[10]
。电子科技大学的蒋平
[11]
研究了一种
可应用于微波系统中的由脊波导构成的定向耦合器，此类定向耦合器比矩形波导定向耦合
器有更宽的单模工作带宽。之后定向耦合器的应用拓展至中红外、近红外波段。以色列特
拉维夫大学的 Tugendhaft 等人
[12]
研究了一种由多模光纤构成的中红外线定向光纤耦合器，
红外信号可以直接从一种光纤传输至另一种光纤，不需要批量的光学组件进行耦合处理，
大大降低了传输系统的成本。韩国成均馆大学的 Jang 等人
[13]
设计了一种用侧面抛光方法制
备的红外波段可调光子晶体光纤定向耦合器，该定向耦合器具有高可调性，耦合比可从
0%调制至 100%。
之后随着 III 族氮化物材料的发展，定向耦合器作为集成光子芯片的核心器件之一，
其制作材料也开始使用光吸收率更低氮化镓(Gallium Nitride, GaN)系材料，适用波长范围拓
展至近红外至可见光范围。以色列霍隆理工大学的 Malka 等人
[14]
基于氮化镓-二氧化硅材
料，利用多角度多模干涉设计了一种槽波导结构的定向耦合器光解多路复用设备，具有低
插入损耗，可用来提高可见光通信系统的性能。印度尼西亚大学的 Hamidah 等人
[15]
研究了
基于蓝宝石衬底的 S 弯曲型的 III 族氮化物定向耦合器，将可见光信号分为两个传输分支
进行传播，光场传播均匀，在此基础上，设计出 4 分支光功率分光器，得到了 4 个光功率
输出均匀的传输分支
[16]
。英国斯克莱德大学的 Zhang 等人
[17]
研究了大截面型的基于蓝宝石
衬底的 III 族氮化物定向耦合器，所需耦合长度减少 50%，功率传输效率更高。日本东北
大学的 Thubthimthong 等人
[18]
研究了在硅衬底 III 族氮化物上实现纳米尺度光子晶体波导辅
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