科研进展简报

基于氮化硅的热不敏感波分复用/解复用器件

来源:武汉光电国家研究中心    作者:光电子器件与集成功能实验室    发布时间:2018年09月09日

       在光子集成芯片中,波分复用/解复用器是不可或缺的基本器件。由于硅波导的高热光系数,硅基光滤波器和波分复用/解复用器对环境温度变化非常敏感(热敏感度~80 pm/℃)。近年来,人们提出一种基于无源的非对称马赫-曾德干涉仪(MZI)的方案来减低热敏感性。通过改变MZI两臂波导的宽度、形状、材料、偏振态和模式态等方法来获得不同的热光系数,从而将MZI整体的温度敏感度降低。目前,基于绝缘衬底上硅和高温生长氮化硅的热不敏感滤波器件取得了一些进展,但在温度敏感性和工艺兼容性等方面都还有待进一步改善。

       武汉光电国家研究中心光电子器件与集成功能实验室的博士生陶诗琦等在黄庆忠副教授、夏金松教授的指导下基于氮化硅设计和实现了热不敏感的四通道波分复用/解复用器。通过在MZI的两臂上使用具有低且不同热光系数的宽波导和窄波导,从而使MZI滤波器能够在很宽的波长范围内实现最小的热敏感度。氮化硅芯层和二氧化硅上下包层均使用等离子体增强化学气相沉积工艺在硅衬底上低温生长得到,与CMOS后端工艺兼容。我们制作出的MZI滤波器在1300 nm附近的55 nm波长范围内仅具有≤±2 pm/℃的热敏感性。然后,基于级联MZI滤波器实现了热不敏感的四通道波分复用/解复用器,各通道的串扰均不大于-22 dB,温度敏感性均低于4.8 pm/℃,与传统的氮化硅波分波分复用/解复用器相比降低了77%。所实现的MZI滤波器和四通道波分复用/解复用器均具有当前世界上最低的热敏感度。得益于其无源工作以及与CMOS后端工艺的兼容性,该器件在光电三维集成中具有潜在的应用前景。

图1. (a)四通道热不敏感波分复用/解复用器金相显微镜图;(b)2X2 MMI;(c)窄波导与正常波导的连接区;(d)宽波导与正常波导间的连接区;(e)光栅耦合器

图2. 热不敏感MZI波分复用器传输谱

       2018年7月7日,该研究结果以题为“Athermal 4-channel (de-)multiplexer in silicon nitride fabricated at low temperature”的论文发表在Photonics Research (Vol.6, No.7, pp.686-691, 2018)上。该项研究得到了国家863计划课题(2015AA016904)和国家自然科学基金(61335002, 11574102, 61675084, 61775094)等项目的支持。

 

文章链接:

Shiqi Tao, Qingzhong Huang, Liangqiu Zhu, Jun Liu, Yinglu Zhang, Ying Huang, Yi Wang, and Jinsong Xia, " Athermal 4-channel (de-)multiplexer in silicon nitride fabricated at low temperature," Photon. Res. 6(7), 686-691(2018)

https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-6-7-686&origin=search