中科院在硅基光學(xué)相控陣LiDAR上取得新研究進展

  ICC訊 硅基光學(xué)相控陣(OPA)激光雷達具有集成度高，掃描速度快，成本低等優(yōu)勢，是固態(tài)激光雷達的重要發(fā)展方向，近幾年不斷獲得突破性進展。但是，硅基OPA發(fā)射芯片的光損耗一直是個問題，尤其是硅波導(dǎo)在高激光輸入功率時，非線性吸收較強，如雙光子吸收，自由載流子吸收等。

  為了降低硅基OPA高輸入功率工作時非線性效應(yīng)帶來的光損耗，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料重點實驗室光子集成技術(shù)研究組提出了一種SiN-Si雙層材料OPA激光雷達發(fā)射芯片。SiN層以150 nm的二氧化硅間隔位于SOI襯底上方，硅器件和SiN器件位于這兩層，不會互相干擾。該芯片輸入耦合器和級聯(lián)分束器采用SiN材料，后端的相位調(diào)制器和光學(xué)天線采用硅材料，雙層波導(dǎo)通過一種耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)光學(xué)連通。SiN-Si雙層材料OPA芯片具有低損耗特性，前端器件由SiN制成，可輸入瓦級光功率，適于遠距離工作。實驗表明，對于常規(guī)Si OPA芯片，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芯片無此問題，雙層耦合損耗小于0.2 dB。同時，在SiN-Si OPA芯片中，團隊采用了一種整體光柵光學(xué)天線，實現(xiàn)了96°×14°的二維掃描，其橫向掃描范圍為目前所報道的最優(yōu)實驗結(jié)果。

圖1. SiN-Si雙層OPA芯片顯微鏡照片

圖2. (a)端面耦合器;(b)光柵耦合器;(c)級聯(lián)的MMI;(d)SiN-Si雙層耦合結(jié)構(gòu);(e)熱光調(diào)相器;(f)光學(xué)天線

圖3. SiN-Si OPA芯片、Si OPA芯片輸出功率與輸入功率的關(guān)系

圖4 SiN-Si OPA芯片二維掃描實驗結(jié)果，(a)橫向掃描范圍;(b)縱向掃描范圍

  相關(guān)研究成果發(fā)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(xué)基金委重點項目、北京市科委項目和企業(yè)項目的共同資助。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.387376