面向可见光通信的硅基InGaNGaN多量子阱多口分路器光子集成芯片.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通信的光传输技术。目前对可见光通信技
术的研究主要集中于以下几个方面，分别是材料器件、高速系统、异构组网、水下可见光
通信及机器学习在可见光通信中的应用
[1-3]
。氮化物材料作为最重要的第 3 代半导体材料之
一，近年来在照明、光伏、短距离电力电子及微波射频等领域得到了广泛应用。作为第 3
代半导体，以 GaN 为代表的 III 族氮化物材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速
度、高热导率、性质稳定等特点，并具有良好的光电特性，使其成为实现面向可见光通信
领域的高性能光电子器件的理想材料。发光二极管(Light Emitting Diode, LED)光源具有体
积小、耗电量低、寿命长、效率高等优点，能精确控制光波长及发光角度。随着半导体工
艺技术的发展与成熟，利用 III 族氮化物材料制备的微型 LED 器件的发展研究有了新突破
[4-6]
。III 族氮化物材料制备的微型 LED 器件在多个领域展现出潜在应用前景，包括微型
LED 显示
[7,8]
、高速并行可见光通信
[9]
、光遗传学
[10]
、无掩模光刻
[11]
等。相对于液晶显示
(Liquid Crystal Display, LCD)和有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)显示技
术，微型 LED 显示具有发光效率高、亮度高、对比度高和响应时间短等优势
[7,8]
。在可见
光通信方面，单颗微型 LED 的光电调制带宽和通信速率都远高于普通照明 LED，微型
LED 阵列还具备并行通信的优势
[7-9]
。
光子集成芯片作为可见光通信系统的重要终端器件，承载了光信号的发射、接收、调
制和处理等功能
[12]
。利用微纳加工技术，将不同功能光子器件集成在单一芯片上，可以有
效降低光子集成系统的尺寸和整体功耗，使得光子集成系统的可靠性大幅度提升
[13-15]
。在
光子集成芯片包含的无源光子器件中，平面波导型光分路器(Planar Lightwave Circuit, PLC)
主要用于对光信号进行功率分配，具有插入损耗低、工作波长宽、分光均匀和可靠性高等
优点
[16]
，且可以与其他光子器件进行互联，组合为具有多种功能的光子集成芯片。近年
来，国内外关于平面波导型光分路器的工作以 1×N 分支的通光性能优化、波导芯片与阵列
光纤对准耦合的改进和新型光纤(如光子晶体光纤)接入方面的研究为主
[17,18]
，着重对光分路
器局部结构进行优化，但对于传统平面波导型光分路器整体耦合结构并没有太大的改善
[19]
。
2016 年，法国国家科学研究中心的 Gromovyi 博士等人
[20]
在硅衬底上制备了氮化镓光
波导。针对波长为 633 nm 可见光，系统研究了氮化物波导的传输损耗和传输泄露问题。研
究表明由于硅衬底的光吸收，氮化镓波导的传输损耗和传输泄露随模式阶数的增加而急剧
增加。文献[21]利用 XeF2 的各向同性硅刻蚀技术，剥离氮化物波导下的硅衬底，制备了
光传输效率更高的亚微米厚度的悬空氮化物波导，并利用光学表征证明了不同结构的波导
器件在 406 nm 的可见光波段和 1550 nm 的红外波段都具有较低的传输损耗和传输泄露。
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