面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展

随着信息传递、处理以及存储能力要求的不断提升,传统的近红外通信波段已呈"容量紧缩"之势。而工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术在中红外信号传输和处理方面已经显示出独特优势,有望在中红外波段实现大规模集成,在非线性光学等领域实现新的飞跃。首先介绍了硅基光电子技术在中红外应用中的优势以及目前研究过程中所遇到的困难和挑战;其次结合材料属性和结构特性对一些基本元件(如波导、分束/合束器、二极管)等在中红外领域的最新研究成果进行了介绍;最后对近5年来在中红外波段所实现传感应用的非线性光学硅基器件(基于FWM的非线性光学器件、频率梳)和面向中红外通信应用的激光器、调制器、光电探测器进行了成果介绍,并对研究进展进行了总结。

高精度硅基集成光学温度传感器研究

传统温度检测在传感精度和响应时间等方面存在一定局限性,而基于热光效应的芯片级光电传感器不仅能够提升测量灵敏度和速度,也有利于降低系统复杂度和制造成本,近年来引起了人们广泛的关注。目前的集成温度传感器大多通过测量光学谐振腔对宽谱光源或可调谐光源的光谱响应来提供精准快速的测量解决方案,但这种基于宽光谱检测的方案无法实现实时处理,且成本较高,信号后处理较复杂,难以实现系统的整体集成。本文针对以上问题,采用硅基集成微环阵列技术设计了快速高精度的温度测量方法,通过对不同温度下级联微环阵列对单频激光的不同响应,构建光电二极管输出响应与温度变化的单调关系,从而实现实时高精度温度测量。为了提升单频光下的温度传感范围,使用多微环级联结构,并基于该结构设计了一种包括光源、微环阵列、探测器阵列、信号后处理单元和输出数据单元的硅基集成温度传感系统。根据实际用途的不同,在保证低功耗低成本的同时,该系统可以通过分别对级联微环数量、中心谐振波长以及谐振峰半高宽的设计改变温度测量范围以及温度测量分辨率,拥有比较大的设计自由度以及灵活的测量范围。通过对微环阵列的优化设计,实现了响应范围覆盖-20~105℃、精度优于60 mK、响应时间优于20μs的精准快速测量的温度传感。

硅基调制器的最新研究进展(特邀)

随着新一代信息技术的大规模应用,全球数据总量呈现指数式增长趋势,光通信凭借其大带宽、大容量、低损耗、低串扰等优势成为信息通信网络的重要组成部分。硅基光电子技术作为光电子集成技术的重要分支,是实现光通信小型化、多功能化的重要方法。在硅基光电子系统中,硅基调制器是完成信息传输与处理的核心功能单元。本文从硅基调制器的理论基础出发,综述硅基调制器的最新研究进展,按照材料体系的不同,分别对纯硅调制器与硅基异质材料调制器进行系统介绍,最后对该领域的未来发展进行详细讨论。

硅基集成光波导放大器的最新研究进展

在信息化进程中,随着摩尔定律越来越接近极限,将微电子和光电子结合起来,开发硅基大规模光电子集成技术已经成为技术发展的必然和业界的普遍共识.在硅基光电子集成器件中,硅基光源是重中之重.虽然硅是间接带隙半导体材料,发光效率很低,但人们一直没有放弃制备硅基光源.硅基光源包括硅基光波导放大器、发光二极管、激光器等,其中硅基光波导放大器又是激光器的基础,是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件,如果光波导放大器有足够高的净增益,在光波导放大器的两端设计合适的谐振腔就可以获得光泵的激光.本文着眼于硅基光波导放大器,介绍了目前硅基光波导放大器最主要的两个研究方向,即硅基混合集成Ⅲ- Ⅴ族半导体光波导放大器和硅基掺稀土离子光波导放大器.并分别讨论了这两个研究方向的原理、制备方法、发展过程等,列举了相关的典型研究成果,最后简单介绍了其他光放大技术,并做了相应的分析、总结和展望.

面向空间应用的集成光电子技术

随着空间技术的蓬勃发展,微电子集成电路已不能满足空间信息系统对传输容量、通信速率、电磁兼容方面的要求.基于分立器件搭建的传统光电子系统在尺寸、重量、功耗和成本方面存在限制.集成光电子技术是解决上述瓶颈问题的关键途径,逐渐成为近年来的研究热点.本文从介绍铟磷、硅、氮化硅、薄膜铌酸锂等目前主要的集成光学材料的特性及研究基础出发,系统性地回顾了集成光电子技术在空间信息系统中的激光通信、微波光子、光学传感、自主导航与天文成像等应用方向的最新研究进展、技术瓶颈问题与发展思路.同时,对集成光电子器件在太空工作环境下的辐射效应和器件可靠性进行了介绍与分析.最后,对集成光电子技术在未来空间信息系统中的发展方向和应用前景做了分析与展望.

集成微腔光梳色散调控技术研究进展(特邀)

集成微腔光梳技术,利用集成微腔内的光学非线性作用可在连续光泵浦下产生周期性光脉冲,其在频域上表现为等间隔的光学频率成分。与传统光梳相比,集成微腔光梳具有小型化、功耗低、重复频率大等优势,其独特的时频特性在推动传统光梳向片上化演进的同时,也可与波分复用技术结合,推动了片上集成并行化、大容量的信息传输、处理与感知。在微腔光梳的产生过程中,微腔的色散,即不同波长的光在腔内的群速度差异特性,具有决定性作用。面对不同的应用需求,不同的腔体色散设计至关重要。本文首先介绍了色散对光梳状态影响的研究进展,然后介绍了近年来集成微腔色散设计方面取得的进展,最后对当前的技术与问题进行总结,并对未来的发展进行展望。