面向可見光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片

李 欣 王 徐 李 蕓 沙源清 蔣成偉 王永進(jìn)

①(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

②(南京郵電大學(xué)寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210003)

1 引言

可見光通信是一種利用可見光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的光傳輸技術(shù)。目前對(duì)可見光通信技術(shù)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面，分別是材料器件、高速系統(tǒng)、異構(gòu)組網(wǎng)、水下可見光通信及機(jī)器學(xué)習(xí)在可見光通信中的應(yīng)用[1–3]。氮化物材料作為最重要的第3代半導(dǎo)體材料之一，近年來在照明、光伏、短距離電力電子及微波射頻等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為第3代半導(dǎo)體，以GaN為代表的III族氮化物材料具有寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)、高電子飽和速度、高熱導(dǎo)率、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，并具有良好的光電特性，使其成為實(shí)現(xiàn)面向可見光通信領(lǐng)域的高性能光電子器件的理想材料。發(fā)光二極管(Light Emitting Diode， LED)光源具有體積小、耗電量低、壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能精確控制光波長及發(fā)光角度。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展與成熟，利用III族氮化物材料制備的微型LED器件的發(fā)展研究有了新突破[4–6]。III族氮化物材料制備的微型LED器件在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景，包括微型LED顯示[7，8]、高速并行可見光通信[9]、光遺傳學(xué)[10]、無掩模光刻[11]等。相對(duì)于液晶顯示(Liquid Crystal Display， LCD)和有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示技術(shù)，微型LED顯示具有發(fā)光效率高、亮度高、對(duì)比度高和響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)[7，8]。在可見光通信方面，單顆微型LED的光電調(diào)制帶寬和通信速率都遠(yuǎn)高于普通照明LED，微型LED陣列還具備并行通信的優(yōu)勢(shì)[7–9]。

光子集成芯片作為可見光通信系統(tǒng)的重要終端器件，承載了光信號(hào)的發(fā)射、接收、調(diào)制和處理等功能[12]。利用微納加工技術(shù)，將不同功能光子器件集成在單一芯片上，可以有效降低光子集成系統(tǒng)的尺寸和整體功耗，使得光子集成系統(tǒng)的可靠性大幅度提升[13–15]。在光子集成芯片包含的無源光子器件中，平面波導(dǎo)型光分路器(Planar Lightwave Circuit，PLC)主要用于對(duì)光信號(hào)進(jìn)行功率分配，具有插入損耗低、工作波長寬、分光均勻和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[16]，且可以與其他光子器件進(jìn)行互聯(lián)，組合為具有多種功能的光子集成芯片。近年來，國內(nèi)外關(guān)于平面波導(dǎo)型光分路器的工作以1×N分支的通光性能優(yōu)化、波導(dǎo)芯片與陣列光纖對(duì)準(zhǔn)耦合的改進(jìn)和新型光纖(如光子晶體光纖)接入方面的研究為主[17，18]，著重對(duì)光分路器局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，但對(duì)于傳統(tǒng)平面波導(dǎo)型光分路器整體耦合結(jié)構(gòu)并沒有太大的改善[19]。

2016年，法國國家科學(xué)研究中心的Gromovyi博士等人[20]在硅襯底上制備了氮化鎵光波導(dǎo)。針對(duì)波長為633 nm可見光，系統(tǒng)研究了氮化物波導(dǎo)的傳輸損耗和傳輸泄露問題。研究表明由于硅襯底的光吸收，氮化鎵波導(dǎo)的傳輸損耗和傳輸泄露隨模式階數(shù)的增加而急劇增加。文獻(xiàn)[21]利用XeF2的各向同性硅刻蝕技術(shù)，剝離氮化物波導(dǎo)下的硅襯底，制備了光傳輸效率更高的亞微米厚度的懸空氮化物波導(dǎo)，并利用光學(xué)表征證明了不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)器件在406 nm的可見光波段和1550 nm的紅外波段都具有較低的傳輸損耗和傳輸泄露。

本文設(shè)計(jì)的光子集成芯片是一種基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料，針對(duì)可見光信號(hào)的有源光子芯片。本文的主要工作聚焦于將微型LED光源、波導(dǎo)器件、Y分支多口分路器集成在單個(gè)光子芯片上，可見光信號(hào)的發(fā)射、傳輸和光功率分配集成在同一個(gè)光子芯片內(nèi)部，主要關(guān)注了可見光通信的片上光信號(hào)處理。本文設(shè)計(jì)的光子集成芯片可以為可見光通信系統(tǒng)終端所需的可見光信號(hào)片上集成處理提供可能的研究思路，實(shí)現(xiàn)可見光信號(hào)發(fā)射、傳輸和光功率分配的一體化復(fù)合功能。之前以發(fā)射、傳輸、分路為核心器件的光子集成芯片的國內(nèi)外相關(guān)研究主要關(guān)注在微波波段和近紅外光波段的應(yīng)用，且光信號(hào)主要由外部光源產(chǎn)生并耦合進(jìn)入光子集成芯片，本文嘗試將微型LED光源、波導(dǎo)耦合器、Y分支分路器集成在單個(gè)光子芯片上，可見光信號(hào)的產(chǎn)生和光功率分配集成在光子芯片內(nèi)部，是一種具有創(chuàng)新價(jià)值的有源光子芯片。本研究利用氮化鎵系材料在可見光波段的低損耗特征，將光子集成芯片處理的光信號(hào)波段拓展至可見光通信范圍。本研究與部分已發(fā)表光子集成芯片進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比，如表1所示。

表1 本研究與部分已發(fā)表光子集成芯片指標(biāo)對(duì)比

涂興華等人[22，23]設(shè)計(jì)了一種由輸入波導(dǎo)、緩變展寬波導(dǎo)和寬的直過渡波導(dǎo)組成的Y分支結(jié)構(gòu)，可以大大降低分支結(jié)構(gòu)損耗。以此Y分支結(jié)構(gòu)為主要分支點(diǎn)，在第2級(jí)分支處引入非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種1×8光分路器。研究了波導(dǎo)折射率、弧形波導(dǎo)長度、分支角及光波長對(duì)1×8平面波導(dǎo)光分路器輸出特性的影響?；诠獠ㄩL850～1550 nm，Y型分支波導(dǎo)與布拉格波導(dǎo)光柵的光子集成芯片不僅能夠?qū)崿F(xiàn)1×8的光分路功能，還可以利用在輸出波導(dǎo)端的布拉格波導(dǎo)光柵具備的波分復(fù)用功能進(jìn)行通道反射信號(hào)的監(jiān)控。尹小杰等人[24]針對(duì)現(xiàn)有的無源光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控機(jī)制存在的不足，優(yōu)化設(shè)計(jì)光分路器將平面波導(dǎo)光分路器與深刻蝕布拉格波導(dǎo)光柵集成在同一個(gè)光子芯片上，實(shí)現(xiàn)了多通道網(wǎng)絡(luò)信息傳輸與網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)監(jiān)控功能，大幅降低了光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳輸與監(jiān)控并行的實(shí)現(xiàn)難度。

已發(fā)表的國內(nèi)外關(guān)于平面波導(dǎo)型光分路器的研究工作主要關(guān)注單獨(dú)工作的光分路器的性能優(yōu)化，主要進(jìn)行了無源光子器件的實(shí)現(xiàn)與光子集成芯片研究，且較多關(guān)注近紅外光波段的分路器研究[25，26]。光分路器大多沒有與發(fā)射光信號(hào)的光源進(jìn)行集成，特別是面向可見光通信的，針對(duì)可見光波段的集成式平面波導(dǎo)光分路器的研究仍較少。目前可見光通信網(wǎng)絡(luò)的終端系統(tǒng)關(guān)于可見光信號(hào)的上集成處理研究仍較少，本文的研究嘗試?yán)镁哂锌梢姽庑盘?hào)收發(fā)和處理潛力的氮化鎵系第3代半導(dǎo)體材料，在光子集成芯片內(nèi)部對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行復(fù)合功能處理，包括對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行光功率分配的片上功能實(shí)現(xiàn)。研究光子集成芯片在可見光通信領(lǐng)域的光信號(hào)傳輸和功率分配，為可見光通信的全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)提供新的研究思路和方案。具有可見光信號(hào)光功率分配功能的光子集成芯片在可見光全光通信網(wǎng)絡(luò)中，有望實(shí)現(xiàn)高速低成本的可見光信號(hào)功率直接分配和傳輸，不必再通過光電/電光轉(zhuǎn)換的方式，利用電子電路對(duì)可見光通信網(wǎng)絡(luò)里的商用LED芯片進(jìn)行間接控制?？梢詼p少光電/電光轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的能耗，精簡可見光通信網(wǎng)絡(luò)中的電子電路組件。本文面向可見光通信應(yīng)用，研究集成了微型LED器件和多口分路器的光子集成芯片。以標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝為基礎(chǔ)，將發(fā)射可見光信號(hào)的微型LED器件和多口分路器集成在同一個(gè)光子集成芯片上。利用微型LED器件發(fā)射可見光信號(hào)，可見光信號(hào)耦合進(jìn)入多口分路器，在光分路器節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行了多級(jí)的等分光比的可見光信號(hào)分路，實(shí)現(xiàn)了可見光信號(hào)的發(fā)生、傳輸和多口光信號(hào)分路的復(fù)合功能集成。利用該光子集成芯片進(jìn)行可見光通信測(cè)試，證明該光子集成芯片在可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力與價(jià)值。

2 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的光傳輸仿真

本文利用光學(xué)仿真軟件Rsoft中的BeamPROP模塊對(duì)光子集成芯片中分路器的可見光信號(hào)傳輸特性進(jìn)行有限元仿真分析。BeamPORP模塊使用先進(jìn)的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學(xué)器件的工作特性。圖1為可見光信號(hào)在分路器結(jié)構(gòu)中傳輸情況的仿真模型及仿真分析結(jié)果。根據(jù)分路器的幾何參數(shù)、物理參數(shù)和形貌特征測(cè)量數(shù)據(jù)，本文建立了分路器的仿真模型。仿真模型中的可見光信號(hào)為波長445 nm的高斯光。圖1(a)和圖1(b)分別為Y分支結(jié)構(gòu)多口分路器仿真模型的頂視圖和橫截面圖。如頂視圖所示，波導(dǎo)高度設(shè)置為2.5 μm，寬度設(shè)置為8 μm，主體為GaN材料的波導(dǎo)在波長為445 nm的情況下折射率設(shè)置為2.45。圖1(c)為分路器中可見光信號(hào)傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果，追蹤觀察了可見光信號(hào)在分路器內(nèi)部的光強(qiáng)分布和光功率的變化情況。圖1(d)中藍(lán)線為跟蹤1號(hào)端口對(duì)應(yīng)波導(dǎo)內(nèi)部的光功率變化，紅線為跟蹤2號(hào)端口對(duì)應(yīng)波導(dǎo)內(nèi)部的光功率變化，綠線為跟蹤3號(hào)端口對(duì)應(yīng)波導(dǎo)內(nèi)部的光功率變化?？梢杂^察到在第1個(gè)分路節(jié)點(diǎn)處，可見光信號(hào)分成了光強(qiáng)相等的兩路，右側(cè)一路耦合進(jìn)入2級(jí)分路節(jié)點(diǎn)。在左側(cè)波導(dǎo)外觀察到輻射泄露的部分可見光信號(hào)。在第2個(gè)分路節(jié)點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光信號(hào)的第2次等比例分路。

圖1 可見光信號(hào)在分路器結(jié)構(gòu)中傳輸情況的仿真模型及仿真分析結(jié)果

3 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片制備及形貌表征

圖2為面向可見光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的示意圖。多口分路器共有兩級(jí)分路節(jié)點(diǎn)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處都將在直波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)目梢姽庑盘?hào)分為2路，且光功率的分光比均為1:1等比例均分。左側(cè)的微型LED器件是發(fā)射可見光信號(hào)的光源，可見光信號(hào)耦合進(jìn)入多口分路器，在第1個(gè)分路節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行第1次等比例分光，進(jìn)入兩個(gè)分光比相同的直波導(dǎo)。下端第2個(gè)分路節(jié)點(diǎn)對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行第2次等比例分光，實(shí)現(xiàn)了片上集成微型可見光信號(hào)光源的多口分路器光子芯片。

圖2 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片示意圖

本文使用的材料為帶有InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的硅基III族氮化物外延晶圓。圖3(a)為晶圓的分層截面示意圖，圖3(b)為硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路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(jìn)行圖形化，制備微型LED器件和多口分路器的主要結(jié)構(gòu)，之后利用III-V族材料電感耦合反應(yīng)離子刻蝕(Inductively Coupled Plasma-Reactive Lon Etching， ICP-RIE)(電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕)將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)在硅基III族氮化物上表面制備金屬電極圖形，利用電子束蒸鍍技術(shù)沉積20 nmNi/180 nmAu金屬薄膜，最后利用剝離技術(shù)獲得作為微型LED器件正負(fù)電極的金屬結(jié)構(gòu) (步驟(2)， (3))。同時(shí)，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(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jìn)行載流子注入，盡可能提高微型LED光源的電光轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)可見光信號(hào)的信息傳輸。

圖3 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片加工工藝流程圖

圖4為利用光學(xué)顯微鏡觀察的制備完成的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片。光子集成芯片加工質(zhì)量良好，微型LED器件和波導(dǎo)多口分路器結(jié)構(gòu)都得到完整實(shí)現(xiàn)。如圖4(a)所示，微型LED光源和多口分路器由直波導(dǎo)連接，微型LED光源發(fā)射的可見光信號(hào)可以由直波導(dǎo)傳輸耦合進(jìn)入多口分路器。作為光子集成芯片核心部分的多口分路器結(jié)構(gòu)清晰完好，沒有明顯加工缺陷。圖4(b)為耦合傳輸可見光信號(hào)的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直波導(dǎo)的長度為80 μm。圖4(c)為硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器結(jié)構(gòu)的放大圖，可見光信號(hào)共分為3路，從上至下分光比分別為2:1:1，分路器內(nèi)部的水平方向直波導(dǎo)的長度為70 μm。

圖4 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的光學(xué)顯微鏡圖

圖5為利用掃描電子顯微鏡觀察的多口分路器結(jié)構(gòu)的加工細(xì)節(jié)，從圖5可以發(fā)現(xiàn)利用III-V族材料ICP-RIE刻蝕加工的多口分路器結(jié)構(gòu)邊緣比較光滑，沒有明顯的粗糙和缺陷。圖5(a)為多口分路器的分光節(jié)點(diǎn)，圖5(b)為分路器內(nèi)部的波導(dǎo)90°拐角部分，圖5(c)為分路器內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中段部分，圖5(d)為分路器內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的末端部分。

圖5 多口分路器的掃描電子顯微鏡圖

圖6為利用原子力顯微鏡觀察的多口分路器結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分的3維形貌特征。圖6(a)為多口分路器直波導(dǎo)截面圖，圖6(b)為利用原子力顯微鏡自帶的NanoScope Analysis軟件提取波導(dǎo)截面圖，觀察到直波導(dǎo)高度約為2.5 μm，寬度約為8 μm。圖6(d)為分路器內(nèi)部第1個(gè)光分路節(jié)點(diǎn)的3維原子力圖，圖6(c)為軟件提取分路節(jié)點(diǎn)截面圖，觀察到波導(dǎo)節(jié)點(diǎn)處高度約為2.8 μm，寬度約為7 μm。多口分路器加工質(zhì)量較好，側(cè)壁有一定程度的傾斜，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面為上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)。

圖6 多口分路器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖

4 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的性能測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

4.1 光子集成芯片的光電特性表征

圖7(a)為利用連接到探針臺(tái)的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Agilent， B1500A，美國)測(cè)得的光子集成芯片上微型LED發(fā)光器件的I-V(電流-電壓)曲線。微型LED器件表現(xiàn)出典型的二極管電流電壓特性，開啟電壓約為3 V，電壓為12 V時(shí)電流為3 mA。 圖7(b)為不同注入電流下測(cè)得的微型LED發(fā)光器件的電致發(fā)光光譜圖。利用連接到探針臺(tái)的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀驅(qū)動(dòng)微型LED器件發(fā)光，通過放置在器件正上方0.5 cm處的光纖收集微型LED器件發(fā)射光耦合進(jìn)入光譜儀進(jìn)行測(cè)量分析。由圖7(b)可知，微型LED器件的電致發(fā)光光譜峰值在445 nm左右，為藍(lán)光波段可見光信號(hào)。隨著器件注入電流增強(qiáng)，微型LED器件的發(fā)射光強(qiáng)線性增強(qiáng)。說明微型LED器件的發(fā)射光強(qiáng)受到注入電流的線性調(diào)制，適合作為調(diào)幅可見光通信的信號(hào)發(fā)射終端。圖7(c)為不同注入電流下測(cè)得的微型LED 器件電致發(fā)光總光強(qiáng)(即光譜儀在整個(gè)發(fā)光光譜域下對(duì)光強(qiáng)的積分值)，隨著注入電流不斷增大微型，LED器件的出射光總光強(qiáng)的提升幅度越來越明顯。

圖7 發(fā)光器件的電致發(fā)光總光強(qiáng)

圖8為硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片在注入電流為1～10 mA情況下的工作狀態(tài)照片。當(dāng)注入電流小于5 mA時(shí)，分路器末端的出射光信號(hào)不明顯。隨著注入電流逐漸增加至10 mA，分路器末端亮度也逐漸增加，出現(xiàn)了明顯的光信號(hào)出射。其中1#為連接第1個(gè)分光節(jié)點(diǎn)的端口，2#和3#分別為連接第2個(gè)和第3個(gè)分光節(jié)點(diǎn)的端口。

本文利用圖像分析處理軟件Image J，對(duì)圖8中不同注入電流下光子集成芯片的工作狀態(tài)照片進(jìn)行分析，對(duì)分路器不同端口的出射光強(qiáng)進(jìn)行量化處理。Image J 可以進(jìn)行圖像的區(qū)域和像素統(tǒng)計(jì)，分析不同區(qū)域的亮度、顏色、幾何尺寸等指標(biāo)。分析光子集成芯片在1～10 mA注入電流下的工作狀態(tài)圖片，使用無量綱單位對(duì)1～3號(hào)端口位置區(qū)域的像素的亮度進(jìn)行表征，全黑像素亮度設(shè)定為0，全白像素亮度設(shè)定為15000，1～15000的無量綱數(shù)值為光強(qiáng)測(cè)試范圍的上下限。使用Image J的自動(dòng)分析熒光強(qiáng)度功能，得到了表2中定量的光強(qiáng)數(shù)值。根據(jù)量化的端口出射光強(qiáng)數(shù)據(jù)，得到圖9中隨注入電流變化的分路器不同端口的出射光強(qiáng)曲線，圖中可知隨著注入電流增加，各個(gè)端口的出射光強(qiáng)增加，說明光子集成芯片上的發(fā)光器件易于進(jìn)行調(diào)幅控制，適合作為可見光通信的發(fā)射端芯片，使得芯片具有發(fā)射可見光信號(hào)的功能?？梢姽庑盘?hào)在波導(dǎo)鏈路上傳輸，使得芯片具有傳輸可見光信號(hào)的功能?？梢姽庑盘?hào)經(jīng)過波導(dǎo)鏈路傳輸，耦合進(jìn)入Y分支多口分路器，使得芯片具有分配可見光信號(hào)功率的功能。在不同注入電流下分路器2號(hào)端口和3號(hào)端口的出射光強(qiáng)接近。在注入電流較低時(shí)，分路器1號(hào)端口的光強(qiáng)近似是分路器2號(hào)端口和3號(hào)端口光強(qiáng)的總和。當(dāng)注入電流增加至10 mA時(shí)，1號(hào)端口的光強(qiáng)超過了2號(hào)端口和3號(hào)端口光強(qiáng)的總和。上述量化分析說明在分路器的兩個(gè)分路節(jié)點(diǎn)上，硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片都成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光信號(hào)的等比例分光，但是在注入電流較大的情況下，由于到達(dá)次級(jí)分路節(jié)點(diǎn)的可見光信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)部傳輸距離更長損耗更大，造成了一定程度的分光誤差。上述分析說明該分路器可以實(shí)現(xiàn)可見光信號(hào)的光功率分路，但是還有進(jìn)一步研究優(yōu)化的空間，分路器2號(hào)端口和3號(hào)端口的出射光強(qiáng)損耗可以通過器件優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高加工質(zhì)量等手段進(jìn)一步減小，保證分路器2號(hào)端口和3號(hào)端口的出射光強(qiáng)比例穩(wěn)定。

表2 分路器不同端口的出射光強(qiáng)

圖8 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片在1～10 mA注入電流下的工作狀態(tài)

圖9 隨注入電流變化的分路器不同端口的出射光強(qiáng)曲線

4.2 光子集成芯片的通信測(cè)試

如圖10所示，利用信號(hào)發(fā)生器在光子集成芯片的微型LED器件上加載300 kHz的矩形波信號(hào)，利用光纖探針收集傳輸至分路器端口處的調(diào)制可見光信號(hào)，將光纖接入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使用示波器對(duì)比輸入輸出信號(hào)。根據(jù)傳輸信號(hào)波形對(duì)比可知，輸出端信號(hào)的波形、頻率與幅值均跟隨輸入端矩形波信號(hào)變化趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了該光子集成芯片具有可見光通信的功能。本文的研究工作主要聚焦于光子集成芯片的可見光信號(hào)的多功能復(fù)合處理，實(shí)驗(yàn)條件和本文研究工作關(guān)注點(diǎn)的限制，該光子集成芯片實(shí)現(xiàn)了針對(duì)可見光信號(hào)的片上復(fù)合功能，但是在可見光通信的傳輸速率測(cè)試方面數(shù)值仍較低，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將著重關(guān)注在可見光信號(hào)多功能處理的基礎(chǔ)上提升可見光通信傳輸速率。

圖10 光子集成芯片可見光通信測(cè)試的輸入輸出信號(hào)波形圖

5 結(jié)束語

本文創(chuàng)新性地提出一種基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型LED加分路器結(jié)構(gòu)的集成化芯片，可以實(shí)現(xiàn)可見光通信領(lǐng)域的可見光信號(hào)片上發(fā)射、處理和探測(cè)的復(fù)合集成功能。將發(fā)射可見光信號(hào)的微型LED器件和用于對(duì)可見光信號(hào)進(jìn)行光功率分配的多口分路器集成在同一個(gè)光子集成芯片上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見光信號(hào)的有效傳輸和不同比例的光功率分路。本文對(duì)光子集成芯片進(jìn)行了形貌、光電特性和通信測(cè)試等多方面表征。微型LED器件的開啟電壓約為5 V，電致發(fā)光光譜的發(fā)光峰為445 nm，注入電流不斷增大，微型LED器件的出射光總光強(qiáng)的提升幅度越來越明顯。隨著微型LED器件注入電流增加至10 mA，分路器末端亮度也逐漸增加，出現(xiàn)明顯的可見光信號(hào)出射，對(duì)分路器的可見光信號(hào)傳輸特性進(jìn)行有限元仿真分析，仿真結(jié)果顯示可見光信號(hào)傳輸進(jìn)入波導(dǎo)多口分路器，可實(shí)現(xiàn)可見光信號(hào)的光功率平均分配，3個(gè)分路端口的分光比分別為2:1:1。對(duì)光子集成芯片進(jìn)行可見光通信測(cè)試，在微型LED器件發(fā)射端加載300 kHz的矩形波電信號(hào)，分路器端口處的調(diào)制可見光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了有效可見光通信。由于研究內(nèi)容局限，本文尚未關(guān)注整個(gè)可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在后續(xù)研究中將對(duì)芯片進(jìn)行適當(dāng)封裝，將光子集成芯片與商用白光LED燈橋接，或使用黃色熒光粉將芯片的藍(lán)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為適用于LED照明系統(tǒng)的白光信號(hào)。