阵列波导光栅解调系统异构集成的关键技术研究

为拓展光纤光栅传感技术在面向健康、生命科学和航空航天上的应用，克服目前光纤光栅解调系统存在体积较大、成本较高等缺点。本项目以课题组在光纤光栅传感解调以及硅基单片光电子集成回路(OEIC)方面的良好工作积累为基础，研制一种结构紧凑、集成度较高、成本较低的阵列波导光栅解调集成微系统，重点研究片上光源、光波导、耦合器、阵列波导光栅、探测器、驱动电路、接收放大电路的异构集成及相关理论；研究阵列波导光栅解调集成微系统中各功能单元器件的理论模型，建立适合的数值模拟和仿真设计方法，开展异构集成中光学、电学和热特性等方面的数值模拟与仿真设计；研究各功能单元器件的高质量、高可靠的微结构制作和连接，进行功能单元器件异构集成的物理极限以及材料和工艺兼容等基础问题研究。本项目研究必将对光纤光栅传感解调领域的发展起到重要推动作用，同时对于未来光纤光栅解调系统的全硅光电集成芯片研究也具有重要意义。

为拓展光纤光栅传感技术在面向健康、生命科学和航空航天上的应用，克服目前光纤光栅解调系统存在体积较大、成本较高等缺点。本项目以课题组在光纤光栅传感解调和硅基单片光电子集成回路(OEIC)方面的良好工作积累为基础，对阵列波导光栅解调系统中光源、耦合器、阵列波导光栅、光电探测器各功能单元器件的异构集成开展了研究，建立了各功能单元器件的理论模型，开展了各功能单元器件的光学特性方面的数值模拟与仿真设计；完成了2×2多模干涉耦合器的设计，流片后其尺寸为6μm×100μm，附加损耗为0.5423dB，不均匀性为0.0053dB，波长响应为100nm，相比于同等微米级的耦合器，多模干涉耦合器损耗降低了0.262dB；完成了多种传统型和马鞍型1×8阵列波导光栅的设计，流片后阵列波导光栅解调集成微系统中选定的阵列波导光栅尺寸为562μm×301μm，插入损耗为-3.18dB，串扰为-23.1dB；采用了垂直光栅耦合结构分别作为与垂直腔面发射激光器VCSEL和PD异构集成的光学接口，同时提供了超强的对准容差能力，基于光束传播法和时域有限差分法分别设计了输入和输出光栅耦合器，由光栅耦合器、弯曲波导和2×1耦合器组成了4×1垂直输入光栅耦合器阵列保证了4×1 VCSEL垂直光耦合输入，由8×1输出光栅耦合器阵列保证了8×1 PD阵列垂直光耦合输出；采用SOITECH公司顶层Si厚度为220nm、掩埋层SiO2厚度为2μm的SOI材料，通过新加坡微电子所代工，利用电子束曝光和反应耦合等离子等工艺步骤，完成了各功能单元器件：垂直输入光栅耦合器阵列、2×2多模干涉耦合器、1×8阵列波导光栅、垂直输出光栅耦合器阵列的SOI光子集成芯片流片；采用苯并环丁烯(BCB)作为键合介质进行了阵列波导光栅解调集成微系统芯片的VCSEL、SOI光子集成芯片和PD阵列的三部分键合；搭建光学器件测试平台，在完成各功能单元器件的光学测试基础上，进行了阵列波导光栅解调集成微系统的解调实验环境搭建，并进行了传感解调实验，实验结果表明：阵列波导光栅解调集成微系统波长寻址范围 1543.3-1556.6nm，通道间隔2nm，解调系统波长分辨率约为1pm，波长精度为±10pm。本项目研究必将对光纤光栅传感解调领域的发展起到重要推动作用，同时对于未来光纤光栅解调系统的全硅光电子集成芯片研究也具有重要意义。