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

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技術教育部重點實驗室 南京 210003)

1 引言

可見光通信是一種利用可見光信號進行數據通信的光傳輸技術。目前對可見光通信技術的研究主要集中于以下幾個方面，分別是材料器件、高速系統、異構組網、水下可見光通信及機器學習在可見光通信中的應用[1–3]。氮化物材料作為最重要的第3代半導體材料之一，近年來在照明、光伏、短距離電力電子及微波射頻等領域得到了廣泛應用。作為第3代半導體，以GaN為代表的III族氮化物材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高電子飽和速度、高熱導率、性質穩定等特點，并具有良好的光電特性，使其成為實現面向可見光通信領域的高性能光電子器件的理想材料。發光二極管(Light Emitting Diode， LED)光源具有體積小、耗電量低、壽命長、效率高等優點，能精確控制光波長及發光角度。隨著半導體工藝技術的發展與成熟，利用III族氮化物材料制備的微型LED器件的發展研究有了新突破[4–6]。III族氮化物材料制備的微型LED器件在多個領域展現出潛在應用前景，包括微型LED顯示[7，8]、高速并行可見光通信[9]、光遺傳學[10]、無掩模光刻[11]等。相對于液晶顯示(Liquid Crystal Display， LCD)和有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示技術，微型LED顯示具有發光效率高、亮度高、對比度高和響應時間短等優勢[7，8]。在可見光通信方面，單顆微型LED的光電調制帶寬和通信速率都遠高于普通照明LED，微型LED陣列還具備并行通信的優勢[7–9]。

光子集成芯片作為可見光通信系統的重要終端器件，承載了光信號的發射、接收、調制和處理等功能[12]。利用微納加工技術，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的尺寸和整體功耗，使得光子集成系統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，平面波導型光分路器(Planar Lightwave Circuit，PLC)主要用于對光信號進行功率分配，具有插入損耗低、工作波長寬、分光均勻和可靠性高等優點[16]，且可以與其他光子器件進行互聯，組合為具有多種功能的光子集成芯片。近年來，國內外關于平面波導型光分路器的工作以1×N分支的通光性能優化、波導芯片與陣列光纖對準耦合的改進和新型光纖(如光子晶體光纖)接入方面的研究為主[17，18]，著重對光分路器局部結構進行優化，但對于傳統平面波導型光分路器整體耦合結構并沒有太大的改善[19]。

2016年，法國國家科學研究中心的Gromovyi博士等人[20]在硅襯底上制備了氮化鎵光波導。針對波長為633 nm可見光，系統研究了氮化物波導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，氮化鎵波導的傳輸損耗和傳輸泄露隨模式階數的增加而急劇增加。文獻[21]利用XeF2的各向同性硅刻蝕技術，剝離氮化物波導下的硅襯底，制備了光傳輸效率更高的亞微米厚度的懸空氮化物波導，并利用光學表征證明了不同結構的波導器件在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。

本文設計的光子集成芯片是一種基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料，針對可見光信號的有源光子芯片。本文的主要工作聚焦于將微型LED光源、波導器件、Y分支多口分路器集成在單個光子芯片上，可見光信號的發射、傳輸和光功率分配集成在同一個光子芯片內部，主要關注了可見光通信的片上光信號處理。本文設計的光子集成芯片可以為可見光通信系統終端所需的可見光信號片上集成處理提供可能的研究思路，實現可見光信號發射、傳輸和光功率分配的一體化復合功能。之前以發射、傳輸、分路為核心器件的光子集成芯片的國內外相關研究主要關注在微波波段和近紅外光波段的應用，且光信號主要由外部光源產生并耦合進入光子集成芯片，本文嘗試將微型LED光源、波導耦合器、Y分支分路器集成在單個光子芯片上，可見光信號的產生和光功率分配集成在光子芯片內部，是一種具有創新價值的有源光子芯片。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波段拓展至可見光通信范圍。本研究與部分已發表光子集成芯片進行指標對比，如表1所示。

表1 本研究與部分已發表光子集成芯片指標對比

涂興華等人[22，23]設計了一種由輸入波導、緩變展寬波導和寬的直過渡波導組成的Y分支結構，可以大大降低分支結構損耗。以此Y分支結構為主要分支點，在第2級分支處引入非對稱結構，設計實現了一種1×8光分路器。研究了波導折射率、弧形波導長度、分支角及光波長對1×8平面波導光分路器輸出特性的影響。基于光波長850～1550 nm，Y型分支波導與布拉格波導光柵的光子集成芯片不僅能夠實現1×8的光分路功能，還可以利用在輸出波導端的布拉格波導光柵具備的波分復用功能進行通道反射信號的監控。尹小杰等人[24]針對現有的無源光網絡監控機制存在的不足，優化設計光分路器將平面波導光分路器與深刻蝕布拉格波導光柵集成在同一個光子芯片上，實現了多通道網絡信息傳輸與網絡通道狀態監控功能，大幅降低了光網絡結構傳輸與監控并行的實現難度。

已發表的國內外關于平面波導型光分路器的研究工作主要關注單獨工作的光分路器的性能優化，主要進行了無源光子器件的實現與光子集成芯片研究，且較多關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射光信號的光源進行集成，特別是面向可見光通信的，針對可見光波段的集成式平面波導光分路器的研究仍較少。目前可見光通信網絡的終端系統關于可見光信號的上集成處理研究仍較少，本文的研究嘗試利用具有可見光信號收發和處理潛力的氮化鎵系第3代半導體材料，在光子集成芯片內部對可見光信號進行復合功能處理，包括對可見光信號進行光功率分配的片上功能實現。研究光子集成芯片在可見光通信領域的光信號傳輸和功率分配，為可見光通信的全光網絡實現提供新的研究思路和方案。具有可見光信號光功率分配功能的光子集成芯片在可見光全光通信網絡中，有望實現高速低成本的可見光信號功率直接分配和傳輸，不必再通過光電/電光轉換的方式，利用電子電路對可見光通信網絡里的商用LED芯片進行間接控制。可以減少光電/電光轉換過程產生的能耗，精簡可見光通信網絡中的電子電路組件。本文面向可見光通信應用，研究集成了微型LED器件和多口分路器的光子集成芯片。以標準半導體工藝為基礎，將發射可見光信號的微型LED器件和多口分路器集成在同一個光子集成芯片上。利用微型LED器件發射可見光信號，可見光信號耦合進入多口分路器，在光分路器節點處進行了多級的等分光比的可見光信號分路，實現了可見光信號的發生、傳輸和多口光信號分路的復合功能集成。利用該光子集成芯片進行可見光通信測試，證明該光子集成芯片在可見光通信領域的應用潛力與價值。

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

本文利用光學仿真軟件Rsoft中的BeamPROP模塊對光子集成芯片中分路器的可見光信號傳輸特性進行有限元仿真分析。BeamPORP模塊使用先進的有限差分光束傳播法 (finite-difference beam propagation method)來模擬分析光學器件的工作特性。圖1為可見光信號在分路器結構中傳輸情況的仿真模型及仿真分析結果。根據分路器的幾何參數、物理參數和形貌特征測量數據，本文建立了分路器的仿真模型。仿真模型中的可見光信號為波長445 nm的高斯光。圖1(a)和圖1(b)分別為Y分支結構多口分路器仿真模型的頂視圖和橫截面圖。如頂視圖所示，波導高度設置為2.5 μm，寬度設置為8 μm，主體為GaN材料的波導在波長為445 nm的情況下折射率設置為2.45。圖1(c)為分路器中可見光信號傳輸的仿真結果，追蹤觀察了可見光信號在分路器內部的光強分布和光功率的變化情況。圖1(d)中藍線為跟蹤1號端口對應波導內部的光功率變化，紅線為跟蹤2號端口對應波導內部的光功率變化，綠線為跟蹤3號端口對應波導內部的光功率變化。可以觀察到在第1個分路節點處，可見光信號分成了光強相等的兩路，右側一路耦合進入2級分路節點。在左側波導外觀察到輻射泄露的部分可見光信號。在第2個分路節點處，實現了對可見光信號的第2次等比例分路。

圖1 可見光信號在分路器結構中傳輸情況的仿真模型及仿真分析結果

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分路節點，在每一個節點處都將在直波導內傳輸的可見光信號分為2路，且光功率的分光比均為1:1等比例均分。左側的微型LED器件是發射可見光信號的光源，可見光信號耦合進入多口分路器，在第1個分路節點處進行第1次等比例分光，進入兩個分光比相同的直波導。下端第2個分路節點對可見光信號進行第2次等比例分光，實現了片上集成微型可見光信號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多量子阱結構的硅基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。首先利用光刻技術在晶圓上表面進行圖形化，制備微型LED器件和多口分路器的主要結構，之后利用III-V族材料電感耦合反應離子刻蝕(Inductively Coupled Plasma-Reactive Lon Etching， ICP-RIE)(電感耦合等離子體反應離子刻蝕)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沉積20 nmNi/180 nmAu金屬薄膜，最后利用剝離技術獲得作為微型LED器件正負電極的金屬結構 (步驟(2)， (3))。同時，本文優化了電光轉換的微型LED光源和光電轉換的光電探測器的結構設計，制備微型有源區結構，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光源的電光轉換效率，實現可見光信號的信息傳輸。

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量良好，微型LED器件和波導多口分路器結構都得到完整實現。如圖4(a)所示，微型LED光源和多口分路器由直波導連接，微型LED光源發射的可見光信號可以由直波導傳輸耦合進入多口分路器。作為光子集成芯片核心部分的多口分路器結構清晰完好，沒有明顯加工缺陷。圖4(b)為耦合傳輸可見光信號的直波導結構，直波導的長度為80 μm。圖4(c)為硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器結構的放大圖，可見光信號共分為3路，從上至下分光比分別為2:1:1，分路器內部的水平方向直波導的長度為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構的加工細節，從圖5可以發現利用III-V族材料ICP-RIE刻蝕加工的多口分路器結構邊緣比較光滑，沒有明顯的粗糙和缺陷。圖5(a)為多口分路器的分光節點，圖5(b)為分路器內部的波導90°拐角部分，圖5(c)為分路器內部波導結構的中段部分，圖5(d)為分路器內部波導結構的末端部分。

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構關鍵部分的3維形貌特征。圖6(a)為多口分路器直波導截面圖，圖6(b)為利用原子力顯微鏡自帶的NanoScope Analysis軟件提取波導截面圖，觀察到直波導高度約為2.5 μm，寬度約為8 μm。圖6(d)為分路器內部第1個光分路節點的3維原子力圖，圖6(c)為軟件提取分路節點截面圖，觀察到波導節點處高度約為2.8 μm，寬度約為7 μm。多口分路器加工質量較好，側壁有一定程度的傾斜，波導結構的橫截面為上窄下寬的梯形結構。

圖6 多口分路器關鍵結構的原子力顯微鏡圖

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

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的半導體參數分析儀(Agilent， B1500A，美國)測得的光子集成芯片上微型LED發光器件的I-V(電流-電壓)曲線。微型LED器件表現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時電流為3 mA。 圖7(b)為不同注入電流下測得的微型LED發光器件的電致發光光譜圖。利用連接到探針臺的半導體參數分析儀驅動微型LED器件發光，通過放置在器件正上方0.5 cm處的光纖收集微型LED器件發射光耦合進入光譜儀進行測量分析。由圖7(b)可知，微型LED器件的電致發光光譜峰值在445 nm左右，為藍光波段可見光信號。隨著器件注入電流增強，微型LED器件的發射光強線性增強。說明微型LED器件的發射光強受到注入電流的線性調制，適合作為調幅可見光通信的信號發射終端。圖7(c)為不同注入電流下測得的微型LED 器件電致發光總光強(即光譜儀在整個發光光譜域下對光強的積分值)，隨著注入電流不斷增大微型，LED器件的出射光總光強的提升幅度越來越明顯。

圖7 發光器件的電致發光總光強

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情況下的工作狀態照片。當注入電流小于5 mA時，分路器末端的出射光信號不明顯。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，出現了明顯的光信號出射。其中1#為連接第1個分光節點的端口，2#和3#分別為連接第2個和第3個分光節點的端口。

本文利用圖像分析處理軟件Image J，對圖8中不同注入電流下光子集成芯片的工作狀態照片進行分析，對分路器不同端口的出射光強進行量化處理。Image J 可以進行圖像的區域和像素統計，分析不同區域的亮度、顏色、幾何尺寸等指標。分析光子集成芯片在1～10 mA注入電流下的工作狀態圖片，使用無量綱單位對1～3號端口位置區域的像素的亮度進行表征，全黑像素亮度設定為0，全白像素亮度設定為15000，1～15000的無量綱數值為光強測試范圍的上下限。使用Image J的自動分析熒光強度功能，得到了表2中定量的光強數值。根據量化的端口出射光強數據，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曲線，圖中可知隨著注入電流增加，各個端口的出射光強增加，說明光子集成芯片上的發光器件易于進行調幅控制，適合作為可見光通信的發射端芯片，使得芯片具有發射可見光信號的功能。可見光信號在波導鏈路上傳輸，使得芯片具有傳輸可見光信號的功能。可見光信號經過波導鏈路傳輸，耦合進入Y分支多口分路器，使得芯片具有分配可見光信號功率的功能。在不同注入電流下分路器2號端口和3號端口的出射光強接近。在注入電流較低時，分路器1號端口的光強近似是分路器2號端口和3號端口光強的總和。當注入電流增加至10 mA時，1號端口的光強超過了2號端口和3號端口光強的總和。上述量化分析說明在分路器的兩個分路節點上，硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片都成功實現了對可見光信號的等比例分光，但是在注入電流較大的情況下，由于到達次級分路節點的可見光信號在波導內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現可見光信號的光功率分路，但是還有進一步研究優化的空間，分路器2號端口和3號端口的出射光強損耗可以通過器件優化設計和提高加工質量等手段進一步減小，保證分路器2號端口和3號端口的出射光強比例穩定。

表2 分路器不同端口的出射光強

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

圖9 隨注入電流變化的分路器不同端口的出射光強曲線

4.2 光子集成芯片的通信測試

如圖10所示，利用信號發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，利用光纖探針收集傳輸至分路器端口處的調制可見光信號，將光纖接入光電探測器轉換為電信號，使用示波器對比輸入輸出信號。根據傳輸信號波形對比可知，輸出端信號的波形、頻率與幅值均跟隨輸入端矩形波信號變化趨勢一致，驗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的多功能復合處理，實驗條件和本文研究工作關注點的限制，該光子集成芯片實現了針對可見光信號的片上復合功能，但是在可見光通信的傳輸速率測試方面數值仍較低，在后續實驗中將著重關注在可見光信號多功能處理的基礎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試的輸入輸出信號波形圖

5 結束語

本文創新性地提出一種基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型LED加分路器結構的集成化芯片，可以實現可見光通信領域的可見光信號片上發射、處理和探測的復合集成功能。將發射可見光信號的微型LED器件和用于對可見光信號進行光功率分配的多口分路器集成在同一個光子集成芯片上，實現了對可見光信號的有效傳輸和不同比例的光功率分路。本文對光子集成芯片進行了形貌、光電特性和通信測試等多方面表征。微型LED器件的開啟電壓約為5 V，電致發光光譜的發光峰為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，出現明顯的可見光信號出射，對分路器的可見光信號傳輸特性進行有限元仿真分析，仿真結果顯示可見光信號傳輸進入波導多口分路器，可實現可見光信號的光功率平均分配，3個分路端口的分光比分別為2:1:1。對光子集成芯片進行可見光通信測試，在微型LED器件發射端加載300 kHz的矩形波電信號，分路器端口處的調制可見光信號實現了有效可見光通信。由于研究內容局限，本文尚未關注整個可見光通信系統的設計和實現。在后續研究中將對芯片進行適當封裝，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光信號轉換為適用于LED照明系統的白光信號。