硅光子学

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硅光子学(Silicon Photonics)

定义:基于硅芯片的光子学技术。

近年来在微电子学应用领域,基于硅芯片的平台技术占据了非常重要的作用。它如今是复杂的微处理器、大型存储电路和其它数字和模拟电子装置的基础。自从引入了绝缘硅片技术[3]后,已经实现了将光子学功能集成到这种平台上,因此硅基光子集成回路成为可能。其中,不同的光学元件采用硅波导连接在一起[1]。这种回路可用来实现电路板之间、电路板上的芯片间或者单个芯片间非常快的通信。这种通信链路的需求量很大,因为微处理器迅速的发展过程今后会受限于电子连接器有限的传输带宽。光数据传输能够实现更高的数据速率,同时也不存在电磁干扰的问题。这种技术在光纤通信的其它领域也非常重要,例如光纤入户

硅光子学也可以从光子学角度去看,后者是基于其它材料的。应用硅光子学器件(即使是电泵浦的硅激光器和硅放大器),可以实现更小的、更便宜的光子器件,能够使一些目前因为成本问题无法实现的应用成为可能。


技术难点

尽管硅光子学有很大的前景,但是该技术也面临很多挑战:

  1. 由于硅具有非直接带隙,因此发光效率很低。尽管针对这一问题已经采用了很多解决方法,基于硅的激光器放大器仍然无法与其它基于GaAs或者InP的激光器或放大器相媲美。
  2. 硅的带隙也较大,因此无法探测通讯波段1500nm和1300nm附近的光。
  3. 硅具有二阶非线性,因此无法制作电光调制器
  4. 芯片上激光光源的散热也是一个问题。
  5. 光学连接器需要非常精准的对准,因此为了实现批量生产需要提高对准技术。

也可以制作混合器件,即有三五族半导体材料(具有直接带隙和电光性质)制作的结构提供光子学功能,将其放置在包含体电子学元件的硅芯片上。其中一种技术采用外延层再生长过程,这种方法比较复杂并且会极大的降低产量。因此,混合器件价格比较昂贵,并且由于其工艺复杂而影响其发展。另一种方案是采用复杂的连接过程将包含波导的硅芯片与提供增益的铟磷芯片连接起来[17]。当然,全硅方案更适合大范围的应用。


研究现状

下面简要描述硅光子学目前的研究现状:

  1. 硅适宜于制作波导传输光[1,2]。例如制作采用氧化物包层的条形波导,其传输损耗小于1dB/cm。硅的透明范围从约1100nm到远红外区域。它对模式有很强的限制,因此即使在很大弯曲时也不会有很大的弯曲损耗。它也可以利用非线性实现一些特定的功能,例如通过四波混频实现放大。制作纳米锥形结构[7]可以实现与单模光纤进行高效的耦合,具有很大的有效模式面积
  2. 对于激光光源和放大器应用,由于硅具有间接带隙因此不能应用。有些在多孔硅和硅纳米颗粒方面的研究已经取得了一些进展,但是性能仍然不能与铟磷器件相比。但是,硅能够实现有效的拉曼放大,因为硅的拉曼增益系数很高,并且波导可以将模式限制在很小的范围内。尽管拉曼激光器[8,18,22]或者放大器[21]仍然需要光泵浦源,但是它能够得到更长的波长,甚至可以产生多个波长[22]。另一个方法是在三五族半导体材料实现有源功能,然后与硅波导结构连接起来;硅波导的衰逝场足够强能够实现有效的放大[17]。也可以利用直接在硅上生长锗制作单片结构,其中掺杂的锗作为激光器材料[25]。
  3. 采用马赫-曾德尔干涉仪和相位调制能够得到硅基光调制器[12]:通过在电极注入载流子可以改变干涉仪一个干涉臂的折射率,然后转化成相位变化引起传输功率的变化。还可以采用微环谐振腔[19,24]。这种器件可以达到几个千兆的传输带宽。在硅上采用外延层锗也可以实现非常紧凑和高效率的电吸收调制器[23]。
  4. 光电探测器只对波长小于1100nm的光敏感。在1500nm或1300nm附近通信波长的光电探测器可以采用SiGe材料实现[13]。但是由于晶格失配会产生新的问题,产生晶格缺陷。

在硅光子学发展成一门核心技术之前,还有很多工作要做,需要很大的资金投入。但是,其潜在优势也吸引了很多大公司,例如英特尔,认真寻求其发展。如果其获得成功,将会是非常有用的一门技术,会对光子学和微电子学应用带来极大的好处。


参考文献

[1] R. A. Soref and J. P. Lorenzo, “Single-crystal silicon: a new material for 1.3 and 1.6 μm integrated-optical components”, Electron. Lett. 21 (21), 953 (1985)

[2] B. Schüppert et al., “Optical channel waveguides in silicon diffused from GeSi allow”, Electron. Lett. 25 (22), 1500 (1989)

[3] M. Bruel, “Silicon on insulator material technology”, Electron. Lett. 31 (14), 1201 (1995)

[4] B. Jalali et al., “Advances in silicon-on-insulator optoelectronics”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4 (6), 938 (1998)

[5] D. A. B. Miller, “Optical interconnects to silicon”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6 (6), 1312 (2000)

[6] Online publications by Intel, see http://www.intel.com/go/sp/

[7] V. R. Almeida et al., “Nanotaper for compact mode conversion”, Opt. Lett. 28 (15), 1302 (2003)

[8] H. Rong et al., “A continuous-wave Raman silicon laser”, Nature 433, 725 (2005)

[9] G. T. Reed, “Device physics: The optical age of silicon”, Nature 427, 595 (2004)

[10] A. Liu et al., “A high speed silicon optical modulator based on a metal–oxide semiconductor capacitor”, Nature 427, 615 (2004)

[11] O. Boyraz and B. Jalali, “Demonstration of a silicon Raman laser”, Opt. Express 12 (21), 5269 (2004)

[12] L. Liao et al., “High speed silicon Mach–Zehnder modulator”, Opt. Express 13 (8), 3129 (2005)

[13] L. Liao et al., “Tensile strained Ge p–i–n photodetectors on Si platform for C and L band telecommunications”, Appl. Phys. Lett. 87, 11110 (2005)

[14] Y.-H. Kuo et al., “Strong quantum-confined Stark effect in germanium quantum-well structures on silicon”, Nature 437, 1334 (2005)

[15] B. Jalali et al., “Raman-based silicon photonics”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 12 (3), 412 (2006)

[16] H. Rong et al., “Monolithic integrated Raman silicon laser”, Opt. Express 14 (15), 6705 (2006)

[17] A. W. Fang et al., “Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser”, Opt. Express 14 (20), 9203 (2006)

[18] H. Rong et al., “Low-threshold continuous-wave Raman silicon laser”, Nature Photon. 1 (4), 232 (2007)

[19] Q. Xu et al., “12.5 Gbit/s carrier-injection-based silicon micro-ring silicon modulators”, Opt. Express 15 (2), 430 (2007)

[20] B. Jalali, “Teaching silicon new tricks”, Nature Photon. 1 (4), 193 (2007)

[21] V. Raghunathan et al., “Demonstration of a mid-infrared silicon Raman amplifier”, Opt. Express 15 (22), 14355 (2007)

[22] H. Rong et al., “A cascaded silicon Raman laser”, Nature Photon. 2, 170 (2008)

[23] J. Liu et al., “Waveguide-integrated, ultralow-energy GeSi electro-absorption modulators”, Nature Photon. 2, 433 (2008)

[24] S. Manipatruni et al., “Wide temperature range operation of micrometer-scale silicon electro-optic modulators”, Opt. Lett. 33 (19), 2185 (2008)

[25] J. Liu et al., “Ge-on-Si laser operating at room temperature”, Opt. Lett. 35 (5), 679 (2010)

[26] Special Issue on silicon photonics in IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 16 (1) (2010)

[27] A. Rickman, “The commercialization of silicon photonics”, Nature Photon. 8, 579 (2014)

[28] SiCoud, a silicon photonics calculator developed at UCLA, http://www.sicloud.org/



参阅:光子学光子集成回路集成光学光电子学拉曼激光器放大器光调制器