硅基光學(xué)相控陣激光雷達(dá)方面新進(jìn)展

  ICC訊 硅基光學(xué)相控陣(OPA)激光雷達(dá)具有集成度高，掃描速度快，成本低等優(yōu)勢(shì)，是固態(tài)激光雷達(dá)的重要發(fā)展方向，近幾年不斷獲得突破性進(jìn)展。但是，硅基OPA發(fā)射芯片的光損耗一直是個(gè)問(wèn)題，尤其是硅波導(dǎo)在高激光輸入功率時(shí)，非線性吸收較強(qiáng)，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(shí)非線性效應(yīng)帶來(lái)的光損耗，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(huì)互相干擾。該芯片輸入耦合器和級(jí)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(guò)一種耦合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(jí)光功率，適于遠(yuǎn)距離工作。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于常規(guī)Si OPA芯片，輸入光功率超過(guò)17 dBm時(shí)，雙光子吸收損耗明顯增大，而SiN-Si OPA芯片無(wú)此問(wèn)題，雙層耦合損耗小于0.2 dB。同時(shí)，在SiN-Si OPA芯片中，團(tuán)隊(duì)采用了一種整體光柵光學(xué)天線，實(shí)現(xiàn)了96°×14°的二維掃描，其橫向掃描范圍為目前所報(bào)道的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、北京市科委項(xiàng)目和企業(yè)項(xiàng)目的共同資助。

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  https://doi.org/10.1364/PRJ.387376