面向可见光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片

李 欣 李 芸 王 徐 沙源清 蒋成伟 王永进

①(南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003)

②(南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室 南京 210003)

1 引言

可见光通信是一种利用可见光信号进行数据传输的新型通信技术，受到调制的电信号控制的发光二极管(Light-Emitting Diode， LED)发出高速闪烁的可见光信号可以高效传输信息[1，2]。在可见光通信系统中，光子集成芯片是实现可见光信号发射、处理、传输和接收的关键终端器件，具有很高的技术要求和研究价值[3，4]。光子集成技术是在一片基片上将若干光器件用光波导连接，可减少可见光通信系统中需要的独立光器件的数量和光器件封装次数。在降低系统成本、尺寸和能耗的同时使得系统性能及可靠性得到大幅提高。光子集成芯片可以在超小尺度范围内实现电信号与光信号的高速转换，光子集成芯片作为终端器件，其性能会对可见光通信系统的整体性能产生影响[5]。在面向可见光通信的光子集成芯片领域，III族氮化物材料作为第3代半导体材料的典型代表，具有宽波段下光吸收率低、可产生覆盖整个可见光波段的宽谱光信号等优异的光学特性和光电特性，是继锗、硅和砷化镓材料体系之后最有前景的半导体材料之一，适合用来实现可见光通信系统亟需的终端器件[6，7]。

定向耦合器[8，9]作为光子集成芯片中的关键器件之一，具有传输、耦合和分配光信号的作用。早期定向耦合器基于石英材料，主要应用于微波波段，在微波传输系统中通常需要将某一输入功率按照一定比例分配到各个支路中去。定向耦合器由于具有插入损耗小、频段宽、能承受较大输入功率等优点，得到广泛应用[10]。电子科技大学的蒋平[11]研究了一种可应用于微波系统中的由脊波导构成的定向耦合器，此类定向耦合器比矩形波导定向耦合器有更宽的单模工作带宽。之后定向耦合器的应用拓展至中红外、近红外波段。以色列特拉维夫大学的Tugendhaft等人[12]研究了一种由多模光纤构成的中红外线定向光纤耦合器，红外信号可以直接从一种光纤传输至另一种光纤，不需要批量的光学组件进行耦合处理，大大降低了传输系统的成本。韩国成均馆大学的Jang等人[13]设计了一种用侧面抛光方法制备的红外波段可调光子晶体光纤定向耦合器，该定向耦合器具有高可调性，耦合比可从0%调制至100%。

之后随着III族氮化物材料的发展，定向耦合器作为集成光子芯片的核心器件之一，其制作材料也开始使用光吸收率更低氮化镓(Gallium Nitride，GaN)系材料，适用波长范围拓展至近红外至可见光范围。以色列霍隆理工大学的Malka等人[14]基于氮化镓-二氧化硅材料，利用多角度多模干涉设计了一种槽波导结构的定向耦合器光解多路复用设备，具有低插入损耗，可用来提高可见光通信系统的性能。印度尼西亚大学的Hamidah等人[15]研究了基于蓝宝石衬底的S弯曲型的III族氮化物定向耦合器，将可见光信号分为两个传输分支进行传播，光场传播均匀，在此基础上，设计出4分支光功率分光器，得到了4个光功率输出均匀的传输分支[16]。英国斯克莱德大学的Zhang等人[17]研究了大截面型的基于蓝宝石衬底的III族氮化物定向耦合器，所需耦合长度减少50%，功率传输效率更高。日本东北大学的Thubthimthong等人[18]研究了在硅衬底III族氮化物上实现纳米尺度光子晶体波导辅助的定向耦合器。在耦合器的输出端口上观察到高散射的近红外光信号，最大耦合效率约为50%。英国布里斯托尔大学的Engin等人[19]研究设计了蓝宝石衬底上具有氮化铝晶格匹配层的III族氮化物可调光子晶体定向耦合器，利用有限元时域差分法分析了器件耦合波长和GaN层折射率之间的变化关系。上述研究关注了在不同衬底材料、不同形状下的定向耦合器对可见光信号的传输能力和光功率分配情况，在定向耦合器与片上可见光光源和光电探测器等有源器件的集成工作上仍有发展空间。本实验室在2017年研究了一种利用InGaN/GaN多量子阱二极管作为发射端和接收端，用氮化镓定向耦合器和悬浮波导进行连接的光子集成芯片，尝试了定向耦合器与有源器件的初步集成[20]。

本文基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料[21，22]，结合光刻工艺、III-V族材料感应耦合等离子体刻蚀深反应离子刻蚀等标准半导体工艺，制备出硅基InGaN/GaN多量子阱定向耦合器光子集成芯片，主要包含可见光波段的微型LED光源、波导定向耦合器、微型光电探测器3部分。微型LED光源作为发射端，发射出445 nm的蓝光波段可见光信号，经过波导定向耦合器的Y字形分路结构，分成两路光功率相同的信号，实现了光子集成芯片的片内有效传输耦合和光功率平均分配，并且利用光学仿真软件证明了这一点。本文还对光子集成芯片进行了可见光通信测试，发现输入信号与输出信号存在对比关系，可以实现可见光通信。本研究为光子集成芯片的光电转换系统和可见光范围内的平面光通信提供了更多的可能性。

2 硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的制备与形貌表征

2.1 光子集成芯片的制备过程

本文研究中使用的材料为带有InGaN/GaN多量子阱的硅基III族氮化物外延晶圆，图1(a)为晶圆的分层截面示意图。为提高可见光通信的电光转换效率，本文使用高质量的InGaN/GaN多量子阱结构作为进行电光转换的有源层，多量子阱层本身的载流子和光子的转换效率较高。图1(b)为硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的加工工艺流程图。首先利用光刻技术在晶圆上表面进行图形化，制备微型LED光源、波导定向耦合器和微型光电探测器的主要结构。之后进行电感耦合等离子体反应离子刻蚀(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching， ICP-RIE)将III族氮化物外延层刻蚀至n型GaN层(步骤(1))。去除残留光刻胶后，再利用光刻技术制备金属电极的图形，之后利用电子束蒸镀技术沉积20nmNi/180nmAu金属薄膜，最后利用剥离技术获得作为微型LED光源和光电探测器正负电极的金属结构 (步骤(2)， (3))。

图1(c)为设计的硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的3维示意图。右侧器件为微型LED光源，用于发射可见光信号，中间部分的绿色器件为波导定向耦合器，对可见光信号进行传输、耦合和分配，将分为两路的可见光信号引入左侧两个相同的光电探测器。为了让可见光信号在波导和定向耦合器内部进行片内传输，本文优化了电光转换的微型LED光源和光电转换的光电探测器的结构设计，制备微型有源区结构，并使用覆盖面积大、电流分布效果好的圆形电极进行载流子注入，尽可能提高微型LED光源的电光转换效率。在光电探测器一端使用同样的器件优化结构设计，使得传输耦合进入光电探测器的可见光信号的光子能够高效转换为电子，产生光电流，实现可见光信号的信息传输，形成单发射、双接收的终端系统。

图1 光子集成芯片的结构与制备图

2.2 光子集成芯片的形貌表征

图2(a)为利用光学显微镜观察制得的硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的整体形貌结构，微型LED光源与光电探测器的整体结构相同，中间由波导和定向耦合器连接。图2(b)为放大的波导定向耦合器的局部形貌结构。如图2所示，利用标准半导体工艺制备的硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片加工质量良好，主要器件结构符合设计，光子集成芯片核心部分的定向耦合器结构清晰，没有明显加工缺陷。利用扫描电子显微镜观察波导定向耦合器的结构细节，从图3可以发现利用III-V族材料的ICP-RIE刻蚀加工的波导定向耦合器包含的3段平行直波导经过刻蚀加工分开，形成了相互独立的耦合区域，其中波导耦合长度为147.8 μm，耦合部分的波导宽度为5.4 μm，耦合间隙为2.2 μm。

图2 硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的光学显微镜图

图3 波导定向耦合器的扫描电子显微镜图

为更清晰了解波导定向耦合器的3维形貌特征，本文利用原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)对波导耦合器的3维结构进行了表征。如图4(a)所示，由3维形貌图可以看出，定向耦合器中3段相互平行的波导间存在一定高度差。图4(b)的白色竖条是从3维形貌数据中截取断面位置的标志，利用原子力显微镜自带的NanoScope Analysis软件提取波导截面图，观察3段耦合波导的高度差。如图4(c)所示，连接微型LED光源的中间输入波导刻蚀深度约为2.1 μm，连接光电探测器的两侧输出波导的刻蚀深度约为2.4 μm，两者之间存在0.3 μm的深度差。波导结构存在侧壁倾斜现象，波导结构的横截面为上窄下宽的梯形结构。造成上述现象的原因是III-V族材料的电感耦合等离子体刻蚀机(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching， ICP-RIE)刻蚀在水平平面和不同刻蚀深度上都存在一定程度的刻蚀速度不均匀。

图4 波导定向耦合器的原子力显微镜图片

3 硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的电学特性表征

图5为利用连接探针台的半导体参数分析仪(Agilent， B1500A，美国)测得的光子集成芯片中微型LED光源的I-V(电流-电压)曲线及不同频率(1 kHz，10 kHz， 100 kHz)下的电容-电压(C-V)曲线。如图5(a)所示，红线为发射可见光信号的微型LED光源和接收可见光信号的微型光电探测器的两个正电极之间的I-V曲线，其值基本为0 mA，说明微型LED光源和微型光电探测器之间实现了电隔离，各器件均为独立工作。黑线为微型LED光源的I-V曲线，微型LED光源的开启电压约为8 V，在15 V驱动电压下注入电流为12.5 mA。如图5(b)所示，在大于8 V的电压区间内，随电压增加微型LED光源电容变为负值，且迅速减小。在更高频率下，负电容现象更明显。微型LED光源的负电容现象和器件有源区的载流子复合效率有关，载流子复合效率越高，出射光越强，负电容现象越明显。

图5 微型LED光源的电学特性图

4 硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的光学特性表征及仿真分析

4.1 光子集成芯片的电致发光特性

图6(a)为不同注入电流下测得的微型LED光源的电致发光光谱图。本文利用连接探针台的半导体参数分析仪驱动微型LED 光源发光，通过放置在其发光区正上方0.5 cm处的光纤探针收集可见光信号至光谱仪进行光强测量及光谱分析。由图6(a)可知，微型 LED光源的电致发光光谱的发光峰为445 nm，为蓝色波段的可见光信号。图6(b)为不同注入电流下微型LED器件的总光强对比，可以发现随着注入电流增大，微型LED光源的发光强度明显受到注入电流的线性调制。说明光子集成芯片上的发光器件易于进行调幅控制，适合作为可见光通信的发射端。同样结构的器件工作在0电压或负电压下时可作为微型光电探测器，捕捉通过波导定向耦合器耦合传输的可见光信号，转换为电信号。因此，该光子芯片右侧的微型LED光源和左侧的光电探测器结构一致，功能相反，简化了整体的器件结构设计。

图6 微型LED光源的电致发光特性图

图7为硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片在注入电流分别为2 mA， 4 mA， 6 mA，8 mA， 10 mA下的工作情况。如图所示，可以直接观察到光子芯片内可见光信号的耦合和沿波导横向传输的情况，左侧较大的方形发光区域为微型LED光源的发光区，右侧较小的发光区域为定向耦合器区域。微型LED光源发射的可见光信号经过直波导传输进入定向耦合器区域，定向耦合器上下部分耦合进入两条耦合波导的光强一致，且随着注入电流增加，耦合波导区域的可见光信号强度之明显增大。表明定向耦合器实现了对可见光信号的耦合传输与等比例功率分路。可见光信号分路后分别传输进入右侧的两个微型光电探测器，光电探测器检测到可见光信号并将光子在接收端转换为电子，实现片上光子集成与光电转换过程。

图7 不同注入电流下光子集成芯片的工作图片

图8为不同注入电流驱动微型LED光源时光电探测器接收到的光电流曲线，图8纵轴为光电流值，横轴为光电探测器的工作电压范围。在0 mA注入电流下，微型LED光源处于关闭状态，没有可见光信号通过波导定向耦合器传输进入光电探测器。注入电流增加至2 mA时，开启状态的微型LED光源发射的可见光信号经过波导定向耦合器传输进入微型光电探测器。此时，加载负偏压的微型光电探测器在接收到耦合传输的可见光信号，在–8 V电压下转换的光电流达到39.5 nA。当注入电流增加至10 mA时，在–8 V电压下转换的光电流达到88.3 nA。说明光子集成芯片的核心部件波导定向耦合器部分成功将微型LED光源发射的可见光信号耦合传输进入片内的微型光电探测器，将光信号转换为电信号，实现了对于可见光信号的片内耦合传输和功率分路，并且在单个光子芯片上实现了电光/光电转换。通过调制发射光的强度，实现了可见光波段的片上光子集成，为可见光通信的光子集成芯片的片上光信号集成发射-传输-处理-接收的功能复合实现提供了更多的可能性。

图8 不同注入电流下驱动微型LED光源时光电探测器接收到的光电流曲线

4.2 光子集成芯片的光学特性仿真分析

本文利用光学有限元仿真软件Rsoft中的有限时域差分模块-光线程序操作(Beam PRogram OPeration， BeamPROP)对光子集成芯片中的波导定向耦合器部分的可见光信号传输情况进行了仿真分析。根据器件设计、选取的材料体系和形貌表征数据，我们对波导定向耦合器进行几何建模和物理建模。图9(a)和图9(b)分别为波导定向耦合器仿真模型的顶视图和横截面图。如顶视图所示，为了模拟在不同波导长度下的光传输耦合情况，本文将3段波导长度设置为1000 μm。如横截面图所示，考虑到加工造成的波导侧壁倾斜，输入波导与耦合波导之间的侧壁角度设置为20°，中间波导高度设置为2.1 μm，两侧波导高度设置为2.4 μm。图9(c)为波导定向耦合器中可见光信号传输的仿真结果。如图9所示，可见光信号从中间的输入波导的底部中心位置输入。在波导重叠的定向耦合区域中，可见光信号分成两部分耦合进入了左右两侧的输出波导中，红线监视的左侧波导与绿线监视的右侧波导的光功率变化曲线重合，说明波导定向耦合器实现了输入的可见光信号的有效传输耦合与光功率平均分配。在1000 μm处的波导耦合光功率比例为：输入波导占57%，输出波导分别占12%， 12%。由仿真分析可知，本文研究的波导定向耦合器实现可见光信号在光子集成芯片片内的有效传输耦合和光功率平均分配可以在光学仿真分析方面得到验证。

图9 波导定向耦合器仿真模型与分析

5 硅基InGaN/GaN多量子阱波导定向耦合器光子集成芯片的可见光通信测试

为了进一步证明该光子集成芯片具有良好的可见光通信性能，本文利用信号发生器在微型LED光源发射端加载300 kHz的矩形波电信号，作为输入端，如图10所示。将波导定向耦合器的Y字形分路的其中一路连接的光电探测器作为输出端，对两端都利用光纤探针收集输入、输出信号。根据传输信号波形对比发现，输出端的信号与输入端的矩形波信号存在对应关系，变化趋势基本一致。说明在测试过程中，微型LED光源与光电探测器都处于工作状态，量子阱层的载流子被激活，发射端的矩形波电信号通过波导耦合器传输耦合后被光电探测器检测到，光子被转换为电子，在光电探测器一端检测到电信号，光子被转换为电子，对比示波器的输入与输出波形。表明该芯片上的微型LED光源作为可调制光源，在自由空间实现了有效的可见光通信。

图10 微型LED光源的可见光通信测试图

6 结论

本文基于硅基InGaN/GaN多量子阱氮化镓多量子阱材料，利用标准半导体工艺将可见光波段的微型LED光源、波导定向耦合器、微型光电探测器集成在单个光子集成芯片上，实现了面向可见光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱定向耦合器光子集成芯片，并对光子集成芯片进行了形貌特征、光电特性、可见光通信性能等综合测试，并对定向耦合器进行了光学特性仿真分析。微型LED光源的开启电压约为8 V，在15 V驱动电压下，电流为12.5 mA微型 LED光源的电致发光光谱的发光峰为445 nm。随着注入电流的增大，微型LED光源的可见光信号总光强不断提升，并随着注入电流增加呈现明显的线性规律。可见光信号传输进入波导定向耦合器，实现了可见光信号的片内传输耦合和光功率的平均分配的耦合。微型LED光源的注入电流为2 mA时，在微型光电探测器中激发的光电流为39.5 nA。当注入电流增加至10 mA时，激发的光电流达到88.3 nA。此外，我们对波导定向耦合器进行光学特性仿真分析，发现在定向耦合器中，可见光信号的光功率平均分成两部分耦合进入了左右两侧的输出波导中，波导定向耦合器可以实现可见光信号在光子集成芯片的片内有效传输耦合和光功率平均分配。可见光通信测试表明微型LED光源可实现300 kHz的矩形波信号可见光通信。本研究为发展面向可见光通信网络需求的复合功能光子集成芯片终端提供了更多可能性。