硅光子集成光路（PIC）代工廠能夠實現從數據通信、激光雷達（LiDAR）到生物化學傳感等應用的完整片上電光系統的晶圓級制造。然而，到目前為止，硅的間接帶隙阻礙了其在這些系統中用作片上光源。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory）的科研團隊展示了集成硅波導內電流注入產生的寬帶發射。研究人員推導了一個基于普朗克輻射定律的理論架構，并針對一維光子（即波導）幾何中的熱載流子進行了改進。研究結果表明，這種光源在寬帶波導光子組件的表征以及液體分析物的吸收光譜方面具有顯著的效用。這種硅波導光源是在最先進的硅光子代工廠（美國集成光子制造創新中心，AIM Photonics）中以標準工藝制造的，因此可立即集成到更復雜的光子集成光路中。這項研究成果以“Broadband near-infrared emission in silicon waveguides”為主題發表在Nature Communications期刊上，通訊作者為Marcel W. Pruessner。

寬帶發射器被集成到亞微米肋形波導中，如圖1所示。硅（Si）層可以被制成用于C波段的單模操作的脊形（完全蝕刻）或肋形（半蝕刻）波導。如圖1a所示，將未摻雜的肋形波導橫向放置在p摻雜硅片與n摻雜硅片之間（如圖1b），形成P-i-N發射器。隨后，研究人員使用圖2a中的測量裝置對其發射光譜進行了定量測量。

圖1 P-i-N波導發射器

圖2 測量發射光譜

接著，研究人員將對硅表面法向（surface-normal）P-i-N二極管中熱載流子發射的研究與所測量的功率譜密度的頻率依賴性相結合，從而表明該波導中的反向偏置（reverse-bias）發射是間接帶內作用的結果。間接帶內光子發射可以由空穴、電子或兩者組合產生。如圖3a所示，反向偏置發射需要來自聲子或材料缺陷的載流子散射來保持動量。硅導帶（價帶）中的熱電子（空穴）通過帶內黑體作用發射紅外光子。

圖3 反向偏置發射過程

亞微米硅波導中的寬帶熱載流子發射為納瓦級，可用于集成光子元件的片上表征，而無需片外可調諧激光器或寬帶光源。為了證明這一點，研究人員將來自硅發射器的光耦合到保偏（PM）光纖，該光纖連接至另一個PIC芯片（如圖4a），該PIC芯片具有各種寬帶集成光子組件，這些組件可與硅發射器在同一個PIC芯片中制造。該研究對兩種光學器件進行了表征，二者分別是一對非平衡馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）以及用于無源濾波的晶格濾光片，相關表征結果如圖4b和圖4c所示。

圖4 使用寬帶P-i-N發射器的兩種光學器件的表征

該波導發射器還支持用于化學傳感的波導紅外吸收光譜（WIRAS）。與上述兩種光學器件表征類似，研究人員通過PM光纖將硅發射器耦合到傳感芯片上（如圖5a）；未來可以將硅發射器與傳感波導集成在同一襯底上。

圖5 液體分析物的吸收光譜

綜上所述，這項研究介紹了一種在最先進的300 mm硅光子代工廠制造的完全集成的寬帶硅波導光源。硅波導中的反向偏置P-i-N二極管可直接發射寬帶近紅外光輻射，從毫安級電流中可產生納瓦級波導光功率。研究人員建立了熱載流子帶內發射的一維普朗克輻射模型，從理論角度論述了熱載流子帶內發射。隨后，通過將該硅波導光源用于光子組件（包括馬赫-曾德干涉儀和晶格濾光片）的寬帶特性表征以及液相分析物的波導紅外吸收光譜分析，研究人員證明了器件的有效性。這種寬帶硅基光源可直接與波導和光電探測器集成，無需改變現有制造工藝，有望立即應用于光譜學、計量和傳感領域的片上電光系統。