游学风采

游学掠影:孙春雷英国学术之行

来源:武汉光电国家研究中心    作者:孙春雷    发布时间:2019年03月18日    浏览:557次

非常荣幸能受到留学基金委的资助到英国南安普顿大学进行为期一年的博士联合培养。为期一年的交流学习于我而言是一次难忘的体验,现已回到大武汉,如梦初醒。此次英国之行收获颇丰,不仅获取了很多宝贵的知识和经验,更结识了不少志同道合值得交心的朋友,不枉此行!

我交流学习的单位是南安普顿光电子中心(ORC)。ORC是世界领先的光子学研究机构之一,许多世界级的成果在此诞生,比如掺铒光纤放大器。ORC对光子学产业的显著增长作出了重大贡献,其中包括支撑互联网的光通信技术,以及医学、生物科学传感、安全和制造等领域的解决方案。我所在的课题组是由Graham T. Reed领导的硅光子组。Reed教授主要从事硅基光互连、光调制、光探测,芯片级测试和光电集成的研究工作,他被公认为英国硅基光子学的创始人。

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Graham T. Reed领导的硅光子组

我在国内的课题是片上多模器件以及模式复用系统的研究,大方向是硅基无源器件的设计。为了能在短短的一年时间里面科研上有所收获,我所选择的研究课题必须不能和之前国内的课题偏差太大,不然无法在短时间内融入研究。因此,在正式加入具体的课题小组之前,我和大组内的成员进行了深入的交流,了解他们具体从事的研究方向,所用的工具,制作的工艺和测试方法。最终,我决定加入芯片级测试课题子项目光学微调。研究手段利用离子注入工艺做光学调控。这和我之前做的可重构多模器件颇为类似,因此可以无缝对接。

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硅光子组研究课题

作为一个新来的人,我尽我最大的努力融入新的团队。我处理并参加研究或实验的任务和活动,经常与小组成员交流信息。此外,我还参加了很多小组会议,讨论或提供光子设计的解决方案。利用离子注入工艺可以进行光学修整和后期制作。离子注入硅会造成辐射损伤。如果注入了足够的剂量,则可以导致光学器件的任何植入部分完全的非晶格化。非晶硅的折射率明显高于晶体硅(~(10-1),因此可以构成光学器件中折射率变化。这种折射率的变化可以通过退火来部分或全部消除。近年来,我们的团队已经提出了在硅中发展可擦除光栅的结果,以便于硅光子学电路的硅片规模测试。这些光栅是通过利用锗离子注入对硅的某些区域进行非晶处理而形成的。我们还使用了类似的技术来修剪集成光子组件,离子注入是一种实现可编程硅光子电路的新技术。一旦所提出的光子电路被编程,它的路由被保留,而不需要额外的功率消耗。这项技术使一系列不同的应用和性能要求的光子芯片的统一多用途设计,因为它可以编程为每一个特定的应用后的芯片制造。由于产量的增加,每个芯片的成本可以大大降低,从而实现了新的光子电路的快速成型。我现在已经设计了可擦除定向耦合器(DC)和两种光学FPGA电路。可擦除定向耦合器是光学FPGA电路的组成部分。一种电路是开关矩阵,它没有谐振结构。我们可以利用激光对其进行后期加工,以获得一定的网络拓扑结构。此外,该电路具有多个光学监视器来判断合适的附加电压,并且该监视器是可擦除的。另一种具有共振结构,可以实现更强大的功能。

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硅光子组研究课题

我测试了三级无氧化物包层定向耦合器,因为它们是构建光学FPGA电路的基础。测量了两个参数相同但位置不同的耦合器的透射谱。这两个耦合器的传动效率相当接近。因此,离子注入方向耦合器的性能均匀性是相当好的。因此,在复杂电路中利用分立耦合器作为参考是可靠的。得到了三级定向耦合器的归一化插入损耗。当我把光注入上面的输入端口时,损耗约为19%。当我将光注入较低的输入端时,损耗约为10%。同时,对交叉传播和条形传播的传输效率进行了比较。我们可以看到,交叉传播几乎是相同的,而两者之间的杆状传播之间的差别是不可忽略的。这可能是由于离子注入掩模层和硅波导掩模层之间的偏移量导致的不完全制造所致。不同层的偏移对电路的影响仍有待观察。测试后,我们怀疑PECVD工艺是否因为高温对离子注入设备有害。采用一块样品芯片进行测试,结果表明离子注入波导的损耗明显降低。这就是说,PECVD工艺可以对离子注入波导进行部分退火。因此,下一步,我们需要找到另一种工艺,以更低的温度沉积氧化物包层。此工作工作还在进行当中。

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总结一年的英国联合培养,学习到了很多。从理论计算,软件仿真,用代码画版图,工艺制作到器件测试。也学习到了怎么和国际团队协同工作。非常感谢Graham T. Reed教授对我的耐心悉心指导,让我受益良多。