中科院在矽基光學相控陣LiDAR上取得新研究進展

2020-12-05 訊石光通訊網

  ICC訊 矽基光學相控陣(OPA)雷射雷達具有集成度高，掃描速度快，成本低等優勢，是固態雷射雷達的重要發展方向，近幾年不斷獲得突破性進展。但是，矽基OPA發射晶片的光損耗一直是個問題，尤其是矽波導在高雷射輸入功率時，非線性吸收較強，如雙光子吸收，自由載流子吸收等。

  為了降低矽基OPA高輸入功率工作時非線性效應帶來的光損耗，中國科學院半導體研究所材料重點實驗室光子集成技術研究組提出了一種SiN-Si雙層材料OPA雷射雷達發射晶片。SiN層以150 nm的二氧化矽間隔位於SOI襯底上方，矽器件和SiN器件位於這兩層，不會互相干擾。該晶片輸入耦合器和級聯分束器採用SiN材料，後端的相位調製器和光學天線採用矽材料，雙層波導通過一種耦合結構來實現光學連通。SiN-Si雙層材料OPA晶片具有低損耗特性，前端器件由SiN製成，可輸入瓦級光功率，適於遠距離工作。實驗表明，對於常規Si OPA晶片，輸入光功率超過17 dBm時，雙光子吸收損耗明顯增大，而SiN-Si OPA晶片無此問題，雙層耦合損耗小於0.2 dB。同時，在SiN-Si OPA晶片中，團隊採用了一種整體光柵光學天線，實現了96°×14°的二維掃描，其橫向掃描範圍為目前所報導的最優實驗結果。

圖1. SiN-Si雙層OPA晶片顯微鏡照片

圖2. (a)端面耦合器;(b)光柵耦合器;(c)級聯的MMI;(d)SiN-Si雙層耦合結構;(e)熱光調相器;(f)光學天線

圖3. SiN-Si OPA晶片、Si OPA晶片輸出功率與輸入功率的關係

圖4 SiN-Si OPA晶片二維掃描實驗結果，(a)橫向掃描範圍;(b)縱向掃描範圍

  相關研究成果發表在Photonics Research期刊上(Vol. 8, Issue 6, pp. 912-919 (2020))。博士研究生王鵬飛為第一作者，潘教青研究員為通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金委重點項目、北京市科委項目和企業項目的共同資助。

  文章連結：https://doi.org/10.1364/PRJ.387376

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