硅基光子集成芯片光纤陀螺

光纤陀螺用于敏感载体旋转角速率,是惯性导航系统的核心传感器之一。未来军用及民用领域对小体积、低成本的光纤陀螺需求巨大。利用光子集成芯片代替传统光纤分立器件,借助集成光学光刻工艺大规模批量生产的优势,降低生产成本,提高出货量,是光纤陀螺发展的重要方向。因此,在充分考虑目前国内微纳加工水平基础上,提出了一种工艺实现相对简单、可快速工程化的硅基光子集成芯片光纤陀螺设计方案。基于开环光纤陀螺架构,设计并加工了硅基光子芯片,实现了陀螺全部无源器件的片上集成,光子芯片尺寸约4 mm×3 mm;设计加工了四通道超细径保偏光纤阵列,实现波导与光纤多个耦合点的一次对准,大幅提高耦合封装效率;实现了光子集成芯片光纤陀螺样机25℃时零偏稳定性达到0.2°/h,性能优于相同结构的传统全光纤器件光纤陀螺。

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm~1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃~42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz~100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。

面向可见光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片

为研究面向可见光通信的多功能光子集成芯片,实现可见光信号发射、探测、传输和功率分配的一体化的复合功能,该文提出一种基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型发光二极管(LED)多口分路器结构的光子集成芯片,对集成芯片进行了形貌、光电特性和可见光通信测试等多方面表征,实现了对可见光信号的有效传输和不同比例的多口功率分路,并对分路器不同端口的出射光强进行量化处理,最后,利用信号发生器在微型LED光源发射端加载300 kHz的矩形波电信号,收集分路器末端发射的调制可见光信号,输入/接收信号的波形变化趋势一致,说明该光子集成芯片可实现有效的可见光通信。该研究的主要目的是尝试性将可见光波段的光源和光电探测器集成在氮化物晶圆上,为可见光通信的全光网络的可见光信号片上集成式处理提供新的研究思路和方案,为发展面向可见光通信网络需求的复合功能光子集成芯片终端提供了更多可能性。

微波光子集成芯片技术

微波光子集成芯片技术是微波光子雷达的重要支撑技术,不仅可以实现器件的多功能化,缩小微波光子雷达的体积,还可以大大提升微波光子雷达的稳定性与可靠性。该文介绍了目前常用的InP基、Si基和铌酸锂基等材料体系及其异质异构集成的光子集成芯片技术和可用于微波光子混合集成的光电集成芯片技术,并展望了未来发展趋势。

集成光子-原子芯片的研究进展(特邀)

近年来,微纳光学器件和集成光学芯片的研究取得了激动人心的进展,推动着光学相关的各个研究领域与集成光学技术的结合。同时,原子物理学也得到了巨大发展,并应用于传感、计时、寻找新的物理原理和新兴的量子信息科学中。得益于光学与原子物理的紧密关系,集成光子-原子芯片已逐步发展为一个新的研究方向,既是便捷的原子系统又是可集成的量子信息处理平台,兼具两个研究领域的优势。本文综述了该方向的发展概况,主要介绍基于微纳光学结构实现对空间光场的调控,从而实现集成化的原子冷却和探测技术,以及基于微纳光学结构的近场实现增强的原子囚禁和原子与光子的相互作用。重点介绍基于集成芯片上的微纳光子结构与原子的相互作用,特别是微腔,基于其稳定的结构和增强的局域场,有望实现稳定、高效和可扩展的光子-原子混合量子芯片。

三维光子集成芯片的进展与挑战(特邀)

以光子为信息传输媒介的光子集成芯片,具有高带宽、高速率、高灵敏度等优点,在光通信、光互联、光学传感等领域得到了广泛的研究与应用。为了进一步提高光子集成芯片的集成度、扩展光子集成芯片的功能,在原本二维平面的光子集成芯片的基础上,通过晶圆键合、气相沉积、磁控溅射等方法,制备三维集成光子芯片。利用多层堆叠的方式,使光子集成芯片在厚度上进行拓展,在紧凑的尺寸上,实现大规模集成光子芯片的制备。本文介绍了几种三维光子集成芯片的材料平台与制备工艺,包括单晶硅(c-Si)键合、SiN-on-SOI、非晶硅(a-Si)沉积、多晶硅(p-Si)沉积和聚合物三维光子集成芯片制造平台,结合关键器件与在光互连、光通信、激光雷达等领域的应用,介绍了不同工艺平台的发展现状与挑战。

基于光子芯片的微波光子混频器(特邀)

提出了一种由光生本振单元和波长分离调制单元组成的微波光子混频方法,并在绝缘体上硅材料上设计实现了上述波长分离调制芯片。该芯片集成了硅基相位调制器、微环滤波器、光电探测器、光耦合器和光栅耦合器。实验搭建了基于该波长分离调制芯片的微波光子次谐波混频系统,结果表明,该微波光子混频器可以将6~16 GHz的RF信号变频到33~23 GHz。此外,针对实验系统中残留的混频杂散,分别提出了增加微环滤波器抑制比降低泄露光生本振强度和引入光移相器修正泄漏光生本振相位两种解决方案。通过仿真验证可知,引入光移相器的方法更为简单,更适合于光子集成芯片。

基于集成氮化硅微腔的光学传感芯片研究

近年来随着传感器在生物探测领域的应用,提高传感器芯片的灵敏度成为研究的热点。利用氮化硅微腔灵敏度高、成本低、易于集成的优点,设计制造了1550 nm波长下二维、三维结构品质因子分别为1.6×104和4×103的悬空耦合传感器芯片,并详细研究了集成氮化硅微腔光学传感芯片在折射率测量方面的应用。

智能化可重构硅光集成器件及芯片应用研究

可重构硅光集成器件和芯片是实现智能化光通信系统的关键技术,其小尺寸、低能耗、低成本、高灵活性等特性为新一代光通信等应用带来了新的发展机遇。总结和讨论了一系列新型热可重构硅光集成器件及芯片,包括可调谐滤波器、光开关代表性功能器件。这些器件及芯片具有设计便捷、工艺简单、兼容等突出优点,被广泛应用于光互连、量子光学和微波光子学等。

基于空间光耦合系统的芯片温度传感器

研究了一种硅光子芯片空间光耦合系统,简化了集成光子芯片用光纤阵列耦合的方式,通过将1550 nm附近波段的光通过空间光学系统,经光栅耦合器垂直耦合进入集成光子芯片,经过波导与微环谐振腔实现光学传感,采用多模光纤收集出射能量,并进行温度传感测试。实验结果表明,用波长探测方式,得到自由光谱范围(FSR)为0.85 nm,Q值为16321的环形谐振腔直通端透射谱线。在温度传感测试中,其灵敏度达到127 pm/℃。通过进一步对比测试表明,空间光耦合与光纤阵列光耦合只在插入损耗方面有所差距,耦合系统可得到较好的温度传感测试结果。空间光耦合具有更换传感器芯片便捷,容易实现多通道测试等优点。

二维光子晶体非对称Mach-Zehnder自准直传感器研究

基于自准直效应,通过在二维空气柱型光子晶体非对称Mach-Zehnder干涉仪长臂上设置传感区域,设计了一种自准直传感器.平面波展开法确定了入射光的自准直频率范围,时域有限差分法分析了传感器的灵敏度达到68nm/RIU,采用单频光入射实现了传感模拟.该传感器完全依赖自准直导光,无需引入任何缺陷波导,大大降低了制作工艺要求,其大小只有十几个微米,能够满足超紧凑、高灵敏度、廉价和无标记的要求.

异质兼容集成半导体光电子器件与集成基元功能微结构体系

以纳米压印光栅制作为基础,研究了适应纳米压印工艺的对接生长材料结构及生长工艺,生长的材料均匀性好,适合后续器件工艺制作。通过理论设计及实验研究,优化了浅刻蚀有源波导及深刻蚀无源波导的变换结构,降低了器件的转换损耗及回波损耗。结合后续制作的器件,对接界面插入损耗可以小于1.5 d B。完成了多种多波长阵列DFB激光器及高性能DFB激光器的制作,包括16通道200 GHz,300 GHz间隔1550 nm波段阵列激光器,4通道20 nm间隔1310 nm波段阵列激光器,双八分之一相移激光器,非对称三相移激光器,变节距啁啾调制激光器等,广泛的验证了压印工艺的可靠性及适应性。研究了阵列器件的热调谐特性及热串扰特性,取得了器件热特性数据。为下一步编写阵列器件波长控制程序取得了实验数据。依据2012年度In P基AWG测试结果,对AWG的结构设计数据进行了修正并重新设计。修正设计后制作的通道波长间隔为1.56 nm,通道中心波长1549.7 nm,串扰小于1.5d B。完成了四通道阵列激光器与多模干涉结构合波器(MMI)的单片集成芯片的设计、制作与测试,针对集成芯片完成了器件的封装设计。由于集成芯片管脚非常多,直流偏置,微波信号,热调谐信号互相之间存在耦合,串扰,布线交叉等。为此采用了多层过渡板结构,有效的将各个管脚分开,降低电学串扰。搭建芯片测试平台系统。完成了多波长半导体微环激光器的的制备与测试,采用In P基多量子阱激光器外延材料结构,利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术和Si O2钝化工艺,研制了基于环形谐振腔的双波长半导体激光器样品,实现了激光光源的单片集成。改变激光器的注入电流,可调节峰值波长与波长间隔。对In P基长波长10 Gb/s单片集成OEIC光接收机进行了电路建模、共基极和共发射极OEIC集成电路设计、制备与测试,跨组放大器达到10 Gb/s传输速率,PIN探测器带宽实现7.8 GHz,OEIC器件传输速率达到4 Gb/s,眼图清晰。探索了Si基准单片光发射OEIC方案的可行性。该方案是在Si片衬底上湿法腐蚀出沟槽,并在沟槽里溅射金属层,将FP激光器芯片贴装在沟槽里,通过金属层将电极引出,与Si CMOS激光驱动电路实现准单片集成。

智能硅基多维复用与处理芯片

全面综述了硅基光子单一维度和多个维度的复用与处理,梳理了智能硅基光子集成器件的发展过程。智能硅基多维复用与处理芯片能充分开发和利用光子多维度资源,并能结合硅基光子集成芯片的优势,有望为解决光通信新容量危机和新能耗危机提供核心光电子支撑技术和芯片,从而为实现光通信可持续发展和其他相关应用提供潜在芯片级集成化解决方案。

基于Si_(3)N_(4)和LRSPP的温度不敏感波导

光子集成芯片将多种功能器件进行片上集成,具有损耗低、带宽大、抗电磁干扰等优势,是当前光电领域发展的主流方向。集成光学器件的温度稳定性是影响其光学性能的重要因素之一。为了提高集成光学器件温度稳定性,提出了基于氮化硅(Si_(3)N_(4))和长程表面等离激元(Long-Range Surface Plasmon Polariton,LRSPP)波导的温度不敏感结构,对器件性能随温度的漂移进行抑制和补偿。首先,分析了Si_(3)N_(4)波导和LRSPP波导对接的模式耦合效率,当满足最佳匹配条件时,可实现耦合效率99.9%以上的高效耦合。对混合波导的温度特性进行了分析,结果表明,当LRSPP波导和Si_(3)N_(4)波导的最佳长度比为0.077,相位不随温度的变化而发生漂移,实现了温度不敏感的波导。当波导不能满足最佳长度比时,对LRSPP波导芯层施加电压实现主动补偿,亦可实现温度不敏感。此外,对LRSPP波导的传输特性进行了测试,测得偏振消光比为64 dB,具有良好的单偏振特性。文中提出的温度不敏感结构具有可主动调谐、损耗低、单偏振、普适性高等优点,能有效地解决Si_(3)N_(4)波导性能随温度变化发生漂移的问题,在Si_(3)N_(4)基光子集成芯片中具有广泛的应用前景。

光子集成干涉成像图像重构:熵先验

光子集成干涉成像方法是近年来发展起来的一种以高质量成像和系统扁平化为目标的远场成像方法,有望在同等分辨率下系统的能耗、体积和质量均减小至1/10~1/100。但是现有系统对于高频信号的采样具有稀疏特性,当使用傅里叶逆变换(IFT)求解物体强度分布时,复原的观测目标在锐边处出现Gibbs振铃伪影,从而影响成像质量。为了抑制伪影,提出熵先验并研究熵惩罚特性,利用熵先验并结合光子集成干涉成像的特点设计最大熵方法。为了验证方法的性能,采用性能较好的多层分级孔径排布结构进行仿真模拟,使用峰值信噪比(PSNR)、结构相似性系数(SSIM)和均方误差(MSE)作为像质评价手段。仿真结果表明,最大熵方法可以消除由高频稀疏采样带来的伪影,对于受振铃影响明显的图像,MSE和SSIM有50%以上的提升,PSNR提升10%以上。

飞秒激光直写三维光波导的应用与挑战(特邀)

得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力,多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型,综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手,总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战,并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。

光交换芯片的串扰分析与DQPSK信号传输实验

串扰和插入损耗是表征光交换芯片传输性能的重要参数。将串扰与插入损耗特性结合起来,提出一种分析光交换集成芯片串扰的理论模型,考虑了串扰对开关路由的依赖性。实验测量了基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的4×4拜尼兹结构的光交换集成芯片的串扰和插入损耗系数,以及不同开关路由状态下40 Gb/s差分四相相移键控(DQPSK)信号的传输性能,实验结果与理论分析基本一致。根据测得的串扰和插入损耗系数,计算了16×16光交换芯片串扰范围。

内封面解读

本封面以集成激光雷达芯片为中心,形象展示了透镜辅助光束扫描技术中光束的传播与演化。背景采用集成电路,寓意着光子集成芯片将像集成电路对分立电路的革新一样,为分立光学器件组成的系统带来颠覆性变革。随着集成光子技术的发展,原本昂贵庞大的激光雷达也将以更低廉、小巧的形式走进人们生活的方方面面,为人们带来更安全、更便捷的生活方式。