李 欣 李 蕓 王 徐 沙源清 蔣成偉 王永進

①(南京郵電大學通信與信息工程學院 南京 210003)

②(南京郵電大學寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室 南京 210003)

1 引言

可見光通信是一種利用可見光信號進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g(shù)，受到調(diào)制的電信號控制的發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode， LED)發(fā)出高速閃爍的可見光信號可以高效傳輸信息[1，2]。在可見光通信系統(tǒng)中，光子集成芯片是實現(xiàn)可見光信號發(fā)射、處理、傳輸和接收的關(guān)鍵終端器件，具有很高的技術(shù)要求和研究價值[3，4]。光子集成技術(shù)是在一片基片上將若干光器件用光波導連接，可減少可見光通信系統(tǒng)中需要的獨立光器件的數(shù)量和光器件封裝次數(shù)。在降低系統(tǒng)成本、尺寸和能耗的同時使得系統(tǒng)性能及可靠性得到大幅提高。光子集成芯片可以在超小尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)電信號與光信號的高速轉(zhuǎn)換，光子集成芯片作為終端器件，其性能會對可見光通信系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響[5]。在面向可見光通信的光子集成芯片領(lǐng)域，III族氮化物材料作為第3代半導體材料的典型代表，具有寬波段下光吸收率低、可產(chǎn)生覆蓋整個可見光波段的寬譜光信號等優(yōu)異的光學特性和光電特性，是繼鍺、硅和砷化鎵材料體系之后最有前景的半導體材料之一，適合用來實現(xiàn)可見光通信系統(tǒng)亟需的終端器件[6，7]。

定向耦合器[8，9]作為光子集成芯片中的關(guān)鍵器件之一，具有傳輸、耦合和分配光信號的作用。早期定向耦合器基于石英材料，主要應用于微波波段，在微波傳輸系統(tǒng)中通常需要將某一輸入功率按照一定比例分配到各個支路中去。定向耦合器由于具有插入損耗小、頻段寬、能承受較大輸入功率等優(yōu)點，得到廣泛應用[10]。電子科技大學的蔣平[11]研究了一種可應用于微波系統(tǒng)中的由脊波導構(gòu)成的定向耦合器，此類定向耦合器比矩形波導定向耦合器有更寬的單模工作帶寬。之后定向耦合器的應用拓展至中紅外、近紅外波段。以色列特拉維夫大學的Tugendhaft等人[12]研究了一種由多模光纖構(gòu)成的中紅外線定向光纖耦合器，紅外信號可以直接從一種光纖傳輸至另一種光纖，不需要批量的光學組件進行耦合處理，大大降低了傳輸系統(tǒng)的成本。韓國成均館大學的Jang等人[13]設計了一種用側(cè)面拋光方法制備的紅外波段可調(diào)光子晶體光纖定向耦合器，該定向耦合器具有高可調(diào)性，耦合比可從0%調(diào)制至100%。

之后隨著III族氮化物材料的發(fā)展，定向耦合器作為集成光子芯片的核心器件之一，其制作材料也開始使用光吸收率更低氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)系材料，適用波長范圍拓展至近紅外至可見光范圍。以色列霍隆理工大學的Malka等人[14]基于氮化鎵-二氧化硅材料，利用多角度多模干涉設計了一種槽波導結(jié)構(gòu)的定向耦合器光解多路復用設備，具有低插入損耗，可用來提高可見光通信系統(tǒng)的性能。印度尼西亞大學的Hamidah等人[15]研究了基于藍寶石襯底的S彎曲型的III族氮化物定向耦合器，將可見光信號分為兩個傳輸分支進行傳播，光場傳播均勻，在此基礎上，設計出4分支光功率分光器，得到了4個光功率輸出均勻的傳輸分支[16]。英國斯克萊德大學的Zhang等人[17]研究了大截面型的基于藍寶石襯底的III族氮化物定向耦合器，所需耦合長度減少50%，功率傳輸效率更高。日本東北大學的Thubthimthong等人[18]研究了在硅襯底III族氮化物上實現(xiàn)納米尺度光子晶體波導輔助的定向耦合器。在耦合器的輸出端口上觀察到高散射的近紅外光信號，最大耦合效率約為50%。英國布里斯托爾大學的Engin等人[19]研究設計了藍寶石襯底上具有氮化鋁晶格匹配層的III族氮化物可調(diào)光子晶體定向耦合器，利用有限元時域差分法分析了器件耦合波長和GaN層折射率之間的變化關(guān)系。上述研究關(guān)注了在不同襯底材料、不同形狀下的定向耦合器對可見光信號的傳輸能力和光功率分配情況，在定向耦合器與片上可見光光源和光電探測器等有源器件的集成工作上仍有發(fā)展空間。本實驗室在2017年研究了一種利用InGaN/GaN多量子阱二極管作為發(fā)射端和接收端，用氮化鎵定向耦合器和懸浮波導進行連接的光子集成芯片，嘗試了定向耦合器與有源器件的初步集成[20]。

本文基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料[21，22]，結(jié)合光刻工藝、III-V族材料感應耦合等離子體刻蝕深反應離子刻蝕等標準半導體工藝，制備出硅基InGaN/GaN多量子阱定向耦合器光子集成芯片，主要包含可見光波段的微型LED光源、波導定向耦合器、微型光電探測器3部分。微型LED光源作為發(fā)射端，發(fā)射出445 nm的藍光波段可見光信號，經(jīng)過波導定向耦合器的Y字形分路結(jié)構(gòu)，分成兩路光功率相同的信號，實現(xiàn)了光子集成芯片的片內(nèi)有效傳輸耦合和光功率平均分配，并且利用光學仿真軟件證明了這一點。本文還對光子集成芯片進行了可見光通信測試，發(fā)現(xiàn)輸入信號與輸出信號存在對比關(guān)系，可以實現(xiàn)可見光通信。本研究為光子集成芯片的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和可見光范圍內(nèi)的平面光通信提供了更多的可能性。

2 硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的制備與形貌表征

2.1 光子集成芯片的制備過程

本文研究中使用的材料為帶有InGaN/GaN多量子阱的硅基III族氮化物外延晶圓，圖1(a)為晶圓的分層截面示意圖。為提高可見光通信的電光轉(zhuǎn)換效率，本文使用高質(zhì)量的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)作為進行電光轉(zhuǎn)換的有源層，多量子阱層本身的載流子和光子的轉(zhuǎn)換效率較高。圖1(b)為硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的加工工藝流程圖。首先利用光刻技術(shù)在晶圓上表面進行圖形化，制備微型LED光源、波導定向耦合器和微型光電探測器的主要結(jié)構(gòu)。之后進行電感耦合等離子體反應離子刻蝕(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching， ICP-RIE)將III族氮化物外延層刻蝕至n型GaN層(步驟(1))。去除殘留光刻膠后，再利用光刻技術(shù)制備金屬電極的圖形，之后利用電子束蒸鍍技術(shù)沉積20nmNi/180nmAu金屬薄膜，最后利用剝離技術(shù)獲得作為微型LED光源和光電探測器正負電極的金屬結(jié)構(gòu) (步驟(2)， (3))。

圖1(c)為設計的硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的3維示意圖。右側(cè)器件為微型LED光源，用于發(fā)射可見光信號，中間部分的綠色器件為波導定向耦合器，對可見光信號進行傳輸、耦合和分配，將分為兩路的可見光信號引入左側(cè)兩個相同的光電探測器。為了讓可見光信號在波導和定向耦合器內(nèi)部進行片內(nèi)傳輸，本文優(yōu)化了電光轉(zhuǎn)換的微型LED光源和光電轉(zhuǎn)換的光電探測器的結(jié)構(gòu)設計，制備微型有源區(qū)結(jié)構(gòu)，并使用覆蓋面積大、電流分布效果好的圓形電極進行載流子注入，盡可能提高微型LED光源的電光轉(zhuǎn)換效率。在光電探測器一端使用同樣的器件優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，使得傳輸耦合進入光電探測器的可見光信號的光子能夠高效轉(zhuǎn)換為電子，產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)可見光信號的信息傳輸，形成單發(fā)射、雙接收的終端系統(tǒng)。

圖1 光子集成芯片的結(jié)構(gòu)與制備圖

2.2 光子集成芯片的形貌表征

圖2(a)為利用光學顯微鏡觀察制得的硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的整體形貌結(jié)構(gòu)，微型LED光源與光電探測器的整體結(jié)構(gòu)相同，中間由波導和定向耦合器連接。圖2(b)為放大的波導定向耦合器的局部形貌結(jié)構(gòu)。如圖2所示，利用標準半導體工藝制備的硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片加工質(zhì)量良好，主要器件結(jié)構(gòu)符合設計，光子集成芯片核心部分的定向耦合器結(jié)構(gòu)清晰，沒有明顯加工缺陷。利用掃描電子顯微鏡觀察波導定向耦合器的結(jié)構(gòu)細節(jié)，從圖3可以發(fā)現(xiàn)利用III-V族材料的ICP-RIE刻蝕加工的波導定向耦合器包含的3段平行直波導經(jīng)過刻蝕加工分開，形成了相互獨立的耦合區(qū)域，其中波導耦合長度為147.8 μm，耦合部分的波導寬度為5.4 μm，耦合間隙為2.2 μm。

圖2 硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的光學顯微鏡圖

圖3 波導定向耦合器的掃描電子顯微鏡圖

為更清晰了解波導定向耦合器的3維形貌特征，本文利用原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)對波導耦合器的3維結(jié)構(gòu)進行了表征。如圖4(a)所示，由3維形貌圖可以看出，定向耦合器中3段相互平行的波導間存在一定高度差。圖4(b)的白色豎條是從3維形貌數(shù)據(jù)中截取斷面位置的標志，利用原子力顯微鏡自帶的NanoScope Analysis軟件提取波導截面圖，觀察3段耦合波導的高度差。如圖4(c)所示，連接微型LED光源的中間輸入波導刻蝕深度約為2.1 μm，連接光電探測器的兩側(cè)輸出波導的刻蝕深度約為2.4 μm，兩者之間存在0.3 μm的深度差。波導結(jié)構(gòu)存在側(cè)壁傾斜現(xiàn)象，波導結(jié)構(gòu)的橫截面為上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)。造成上述現(xiàn)象的原因是III-V族材料的電感耦合等離子體刻蝕機(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching， ICP-RIE)刻蝕在水平平面和不同刻蝕深度上都存在一定程度的刻蝕速度不均勻。

圖4 波導定向耦合器的原子力顯微鏡圖片

3 硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的電學特性表征

圖5為利用連接探針臺的半導體參數(shù)分析儀(Agilent， B1500A，美國)測得的光子集成芯片中微型LED光源的I-V(電流-電壓)曲線及不同頻率(1 kHz，10 kHz， 100 kHz)下的電容-電壓(C-V)曲線。如圖5(a)所示，紅線為發(fā)射可見光信號的微型LED光源和接收可見光信號的微型光電探測器的兩個正電極之間的I-V曲線，其值基本為0 mA，說明微型LED光源和微型光電探測器之間實現(xiàn)了電隔離，各器件均為獨立工作。黑線為微型LED光源的I-V曲線，微型LED光源的開啟電壓約為8 V，在15 V驅(qū)動電壓下注入電流為12.5 mA。如圖5(b)所示，在大于8 V的電壓區(qū)間內(nèi)，隨電壓增加微型LED光源電容變?yōu)樨撝担已杆贉p小。在更高頻率下，負電容現(xiàn)象更明顯。微型LED光源的負電容現(xiàn)象和器件有源區(qū)的載流子復合效率有關(guān)，載流子復合效率越高，出射光越強，負電容現(xiàn)象越明顯。

圖5 微型LED光源的電學特性圖

4 硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的光學特性表征及仿真分析

4.1 光子集成芯片的電致發(fā)光特性

圖6(a)為不同注入電流下測得的微型LED光源的電致發(fā)光光譜圖。本文利用連接探針臺的半導體參數(shù)分析儀驅(qū)動微型LED 光源發(fā)光，通過放置在其發(fā)光區(qū)正上方0.5 cm處的光纖探針收集可見光信號至光譜儀進行光強測量及光譜分析。由圖6(a)可知，微型 LED光源的電致發(fā)光光譜的發(fā)光峰為445 nm，為藍色波段的可見光信號。圖6(b)為不同注入電流下微型LED器件的總光強對比，可以發(fā)現(xiàn)隨著注入電流增大，微型LED光源的發(fā)光強度明顯受到注入電流的線性調(diào)制。說明光子集成芯片上的發(fā)光器件易于進行調(diào)幅控制，適合作為可見光通信的發(fā)射端。同樣結(jié)構(gòu)的器件工作在0電壓或負電壓下時可作為微型光電探測器，捕捉通過波導定向耦合器耦合傳輸?shù)目梢姽庑盘?，轉(zhuǎn)換為電信號。因此，該光子芯片右側(cè)的微型LED光源和左側(cè)的光電探測器結(jié)構(gòu)一致，功能相反，簡化了整體的器件結(jié)構(gòu)設計。

圖6 微型LED光源的電致發(fā)光特性圖

圖7為硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片在注入電流分別為2 mA， 4 mA， 6 mA，8 mA， 10 mA下的工作情況。如圖所示，可以直接觀察到光子芯片內(nèi)可見光信號的耦合和沿波導橫向傳輸?shù)那闆r，左側(cè)較大的方形發(fā)光區(qū)域為微型LED光源的發(fā)光區(qū)，右側(cè)較小的發(fā)光區(qū)域為定向耦合器區(qū)域。微型LED光源發(fā)射的可見光信號經(jīng)過直波導傳輸進入定向耦合器區(qū)域，定向耦合器上下部分耦合進入兩條耦合波導的光強一致，且隨著注入電流增加，耦合波導區(qū)域的可見光信號強度之明顯增大。表明定向耦合器實現(xiàn)了對可見光信號的耦合傳輸與等比例功率分路。可見光信號分路后分別傳輸進入右側(cè)的兩個微型光電探測器，光電探測器檢測到可見光信號并將光子在接收端轉(zhuǎn)換為電子，實現(xiàn)片上光子集成與光電轉(zhuǎn)換過程。

圖7 不同注入電流下光子集成芯片的工作圖片

圖8為不同注入電流驅(qū)動微型LED光源時光電探測器接收到的光電流曲線，圖8縱軸為光電流值，橫軸為光電探測器的工作電壓范圍。在0 mA注入電流下，微型LED光源處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有可見光信號通過波導定向耦合器傳輸進入光電探測器。注入電流增加至2 mA時，開啟狀態(tài)的微型LED光源發(fā)射的可見光信號經(jīng)過波導定向耦合器傳輸進入微型光電探測器。此時，加載負偏壓的微型光電探測器在接收到耦合傳輸?shù)目梢姽庑盘枺讪C8 V電壓下轉(zhuǎn)換的光電流達到39.5 nA。當注入電流增加至10 mA時，在–8 V電壓下轉(zhuǎn)換的光電流達到88.3 nA。說明光子集成芯片的核心部件波導定向耦合器部分成功將微型LED光源發(fā)射的可見光信號耦合傳輸進入片內(nèi)的微型光電探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)了對于可見光信號的片內(nèi)耦合傳輸和功率分路，并且在單個光子芯片上實現(xiàn)了電光/光電轉(zhuǎn)換。通過調(diào)制發(fā)射光的強度，實現(xiàn)了可見光波段的片上光子集成，為可見光通信的光子集成芯片的片上光信號集成發(fā)射-傳輸-處理-接收的功能復合實現(xiàn)提供了更多的可能性。

圖8 不同注入電流下驅(qū)動微型LED光源時光電探測器接收到的光電流曲線

4.2 光子集成芯片的光學特性仿真分析

本文利用光學有限元仿真軟件Rsoft中的有限時域差分模塊-光線程序操作(Beam PRogram OPeration， BeamPROP)對光子集成芯片中的波導定向耦合器部分的可見光信號傳輸情況進行了仿真分析。根據(jù)器件設計、選取的材料體系和形貌表征數(shù)據(jù)，我們對波導定向耦合器進行幾何建模和物理建模。圖9(a)和圖9(b)分別為波導定向耦合器仿真模型的頂視圖和橫截面圖。如頂視圖所示，為了模擬在不同波導長度下的光傳輸耦合情況，本文將3段波導長度設置為1000 μm。如橫截面圖所示，考慮到加工造成的波導側(cè)壁傾斜，輸入波導與耦合波導之間的側(cè)壁角度設置為20°，中間波導高度設置為2.1 μm，兩側(cè)波導高度設置為2.4 μm。圖9(c)為波導定向耦合器中可見光信號傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果。如圖9所示，可見光信號從中間的輸入波導的底部中心位置輸入。在波導重疊的定向耦合區(qū)域中，可見光信號分成兩部分耦合進入了左右兩側(cè)的輸出波導中，紅線監(jiān)視的左側(cè)波導與綠線監(jiān)視的右側(cè)波導的光功率變化曲線重合，說明波導定向耦合器實現(xiàn)了輸入的可見光信號的有效傳輸耦合與光功率平均分配。在1000 μm處的波導耦合光功率比例為：輸入波導占57%，輸出波導分別占12%， 12%。由仿真分析可知，本文研究的波導定向耦合器實現(xiàn)可見光信號在光子集成芯片片內(nèi)的有效傳輸耦合和光功率平均分配可以在光學仿真分析方面得到驗證。

圖9 波導定向耦合器仿真模型與分析

5 硅基InGaN/GaN多量子阱波導定向耦合器光子集成芯片的可見光通信測試

為了進一步證明該光子集成芯片具有良好的可見光通信性能，本文利用信號發(fā)生器在微型LED光源發(fā)射端加載300 kHz的矩形波電信號，作為輸入端，如圖10所示。將波導定向耦合器的Y字形分路的其中一路連接的光電探測器作為輸出端，對兩端都利用光纖探針收集輸入、輸出信號。根據(jù)傳輸信號波形對比發(fā)現(xiàn)，輸出端的信號與輸入端的矩形波信號存在對應關(guān)系，變化趨勢基本一致。說明在測試過程中，微型LED光源與光電探測器都處于工作狀態(tài)，量子阱層的載流子被激活，發(fā)射端的矩形波電信號通過波導耦合器傳輸耦合后被光電探測器檢測到，光子被轉(zhuǎn)換為電子，在光電探測器一端檢測到電信號，光子被轉(zhuǎn)換為電子，對比示波器的輸入與輸出波形。表明該芯片上的微型LED光源作為可調(diào)制光源，在自由空間實現(xiàn)了有效的可見光通信。

圖10 微型LED光源的可見光通信測試圖

6 結(jié)論

本文基于硅基InGaN/GaN多量子阱氮化鎵多量子阱材料，利用標準半導體工藝將可見光波段的微型LED光源、波導定向耦合器、微型光電探測器集成在單個光子集成芯片上，實現(xiàn)了面向可見光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱定向耦合器光子集成芯片，并對光子集成芯片進行了形貌特征、光電特性、可見光通信性能等綜合測試，并對定向耦合器進行了光學特性仿真分析。微型LED光源的開啟電壓約為8 V，在15 V驅(qū)動電壓下，電流為12.5 mA微型 LED光源的電致發(fā)光光譜的發(fā)光峰為445 nm。隨著注入電流的增大，微型LED光源的可見光信號總光強不斷提升，并隨著注入電流增加呈現(xiàn)明顯的線性規(guī)律。可見光信號傳輸進入波導定向耦合器，實現(xiàn)了可見光信號的片內(nèi)傳輸耦合和光功率的平均分配的耦合。微型LED光源的注入電流為2 mA時，在微型光電探測器中激發(fā)的光電流為39.5 nA。當注入電流增加至10 mA時，激發(fā)的光電流達到88.3 nA。此外，我們對波導定向耦合器進行光學特性仿真分析，發(fā)現(xiàn)在定向耦合器中，可見光信號的光功率平均分成兩部分耦合進入了左右兩側(cè)的輸出波導中，波導定向耦合器可以實現(xiàn)可見光信號在光子集成芯片的片內(nèi)有效傳輸耦合和光功率平均分配?？梢姽馔ㄐ艤y試表明微型LED光源可實現(xiàn)300 kHz的矩形波信號可見光通信。本研究為發(fā)展面向可見光通信網(wǎng)絡需求的復合功能光子集成芯片終端提供了更多可能性。