硅波导宽带近红外光源增强片上光谱传感性能

硅光子集成光路（PIC）代工厂能够实现从数据通信、激光雷达（LiDAR）到生物化学传感等应用的完整片上电光系统的晶圆级制造。然而，到目前为止，硅的间接带隙阻碍了其在这些系统中用作片上光源。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory）的科研团队展示了集成硅波导内电流注入产生的宽带发射。研究人员推导了一个基于普朗克辐射定律的理论架构，并针对一维光子（即波导）几何中的热载流子进行了改进。研究结果表明，这种光源在宽带波导光子组件的表征以及液体分析物的吸收光谱方面具有显著的效用。这种硅波导光源是在最先进的硅光子代工厂（美国集成光子制造创新中心，AIM Photonics）中以标准工艺制造的，因此可立即集成到更复杂的光子集成光路中。这项研究成果以“Broadband near-infrared emission in silicon waveguides”为主题发表在Nature Communications期刊上，通讯作者为Marcel W. Pruessner。

宽带发射器被集成到亚微米肋形波导中，如图1所示。硅（Si）层可以被制成用于C波段的单模操作的脊形（完全蚀刻）或肋形（半蚀刻）波导。如图1a所示，将未掺杂的肋形波导横向放置在p掺杂硅片与n掺杂硅片之间（如图1b），形成P-i-N发射器。随后，研究人员使用图2a中的测量装置对其发射光谱进行了定量测量。

图1 P-i-N波导发射器

图2 测量发射光谱

接着，研究人员将对硅表面法向（surface-normal）P-i-N二极管中热载流子发射的研究与所测量的功率谱密度的频率依赖性相结合，从而表明该波导中的反向偏置（reverse-bias）发射是间接带内作用的结果。间接带内光子发射可以由空穴、电子或两者组合产生。如图3a所示，反向偏置发射需要来自声子或材料缺陷的载流子散射来保持动量。硅导带（价带）中的热电子（空穴）通过带内黑体作用发射红外光子。

图3 反向偏置发射过程

亚微米硅波导中的宽带热载流子发射为纳瓦级，可用于集成光子元件的片上表征，而无需片外可调谐激光器或宽带光源。为了证明这一点，研究人员将来自硅发射器的光耦合到保偏（PM）光纤，该光纤连接至另一个PIC芯片（如图4a），该PIC芯片具有各种宽带集成光子组件，这些组件可与硅发射器在同一个PIC芯片中制造。该研究对两种光学器件进行了表征，二者分别是一对非平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）以及用于无源滤波的晶格滤光片，相关表征结果如图4b和图4c所示。

图4 使用宽带P-i-N发射器的两种光学器件的表征

该波导发射器还支持用于化学传感的波导红外吸收光谱（WIRAS）。与上述两种光学器件表征类似，研究人员通过PM光纤将硅发射器耦合到传感芯片上（如图5a）；未来可以将硅发射器与传感波导集成在同一衬底上。

图5 液体分析物的吸收光谱

综上所述，这项研究介绍了一种在最先进的300 mm硅光子代工厂制造的完全集成的宽带硅波导光源。硅波导中的反向偏置P-i-N二极管可直接发射宽带近红外光辐射，从毫安级电流中可产生纳瓦级波导光功率。研究人员建立了热载流子带内发射的一维普朗克辐射模型，从理论角度论述了热载流子带内发射。随后，通过将该硅波导光源用于光子组件（包括马赫-曾德干涉仪和晶格滤光片）的宽带特性表征以及液相分析物的波导红外吸收光谱分析，研究人员证明了器件的有效性。这种宽带硅基光源可直接与波导和光电探测器集成，无需改变现有制造工艺，有望立即应用于光谱学、计量和传感领域的片上电光系统。