Silicon-based InGaN/GaN Multi-quantum Wells Multi-port Splitter Photonic Integrated Chip for Visible Light Communication
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摘要: 为研究面向可见光通信的多功能光子集成芯片，实现可见光信号发射、探测、传输和功率分配的一体化的复合功能，该文提出一种基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型发光二极管(LED)多口分路器结构的光子集成芯片，对集成芯片进行了形貌、光电特性和可见光通信测试等多方面表征，实现了对可见光信号的有效传输和不同比例的多口功率分路，并对分路器不同端口的出射光强进行量化处理，最后，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，收集分路器末端发射的调制可见光信号，输入/接收信号的波形变化趋势一致，说明该光子集成芯片可实现有效的可见光通信。该研究的主要目的是尝试性将可见光波段的光源和光电探测器集成在氮化物晶圆上，为可见光通信的全光网络的可见光信号片上集成式处理提供新的研究思路和方案，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。Abstract: In order to study the multi-functional photon integrated chip for visible light communication and realize the integrated function of visible light signal emission, detection, transmission and power distribution, a miniature Light Emitting Diode(LED) with splitter structure based on silicon-based InGaN/GaN multiple quantum well material is proposed in this paper. The photon integrated chip is characterized in many aspects, such as morphology, optoelectronic characteristics and visible light communication test. The effective transmission of visible light signal and different proportion of multi-port power shunt are realized, and the output light intensity of different ports of the splitter is quantified. Finally, the rectangular wave signal of 300 kHz is loaded at the emitter end of the miniature LED light source by the signal generator, and the modulated visible light signal emitted at the end of the splitter is collected. The waveform change trend of the input / receive signal is the same. It shows that the photonic integrated chip can achieve effective visible light communication. The main purpose of this study is to try to integrate visible light sources and photodetectors on nitride wafers, so as to provide new research ideas and schemes for on-chip integrated processing of visible light signals in all-optical networks of visible light communications. It provides more possibilities for the development of multi-function photon integrated chip terminals for visible light communication networks.
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1. 引言
可见光通信是一种利用可见光信号进行数据通信的光传输技术。目前对可见光通信技术的研究主要集中于以下几个方面，分别是材料器件、高速系统、异构组网、水下可见光通信及机器学习在可见光通信中的应用[1-3]。氮化物材料作为最重要的第3代半导体材料之一，近年来在照明、光伏、短距离电力电子及微波射频等领域得到了广泛应用。作为第3代半导体，以GaN为代表的III族氮化物材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度、高热导率、性质稳定等特点，并具有良好的光电特性，使其成为实现面向可见光通信领域的高性能光电子器件的理想材料。发光二极管(Light Emitting Diode, LED)光源具有体积小、耗电量低、寿命长、效率高等优点，能精确控制光波长及发光角度。随着半导体工艺技术的发展与成熟，利用III族氮化物材料制备的微型LED器件的发展研究有了新突破[4-6]。III族氮化物材料制备的微型LED器件在多个领域展现出潜在应用前景，包括微型LED显示[7,8]、高速并行可见光通信[9]、光遗传学[10]、无掩模光刻[11]等。相对于液晶显示(Liquid Crystal Display, LCD)和有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)显示技术，微型LED显示具有发光效率高、亮度高、对比度高和响应时间短等优势[7,8]。在可见光通信方面，单颗微型LED的光电调制带宽和通信速率都远高于普通照明LED，微型LED阵列还具备并行通信的优势[7-9]。
光子集成芯片作为可见光通信系统的重要终端器件，承载了光信号的发射、接收、调制和处理等功能[12]。利用微纳加工技术，将不同功能光子器件集成在单一芯片上，可以有效降低光子集成系统的尺寸和整体功耗，使得光子集成系统的可靠性大幅度提升[13-15]。在光子集成芯片包含的无源光子器件中，平面波导型光分路器(Planar Lightwave Circuit, PLC)主要用于对光信号进行功率分配，具有插入损耗低、工作波长宽、分光均匀和可靠性高等优点[16]，且可以与其他光子器件进行互联，组合为具有多种功能的光子集成芯片。近年来，国内外关于平面波导型光分路器的工作以1×N分支的通光性能优化、波导芯片与阵列光纤对准耦合的改进和新型光纤(如光子晶体光纤)接入方面的研究为主[17,18]，着重对光分路器局部结构进行优化，但对于传统平面波导型光分路器整体耦合结构并没有太大的改善[19]。
2016年，法国国家科学研究中心的Gromovyi博士等人[20]在硅衬底上制备了氮化镓光波导。针对波长为633 nm可见光，系统研究了氮化物波导的传输损耗和传输泄露问题。研究表明由于硅衬底的光吸收，氮化镓波导的传输损耗和传输泄露随模式阶数的增加而急剧增加。文献[21]利用XeF2的各向同性硅刻蚀技术，剥离氮化物波导下的硅衬底，制备了光传输效率更高的亚微米厚度的悬空氮化物波导，并利用光学表征证明了不同结构的波导器件在406 nm的可见光波段和1550 nm的红外波段都具有较低的传输损耗和传输泄露。
本文设计的光子集成芯片是一种基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料，针对可见光信号的有源光子芯片。本文的主要工作聚焦于将微型LED光源、波导器件、Y分支多口分路器集成在单个光子芯片上，可见光信号的发射、传输和光功率分配集成在同一个光子芯片内部，主要关注了可见光通信的片上光信号处理。本文设计的光子集成芯片可以为可见光通信系统终端所需的可见光信号片上集成处理提供可能的研究思路，实现可见光信号发射、传输和光功率分配的一体化复合功能。之前以发射、传输、分路为核心器件的光子集成芯片的国内外相关研究主要关注在微波波段和近红外光波段的应用，且光信号主要由外部光源产生并耦合进入光子集成芯片，本文尝试将微型LED光源、波导耦合器、Y分支分路器集成在单个光子芯片上，可见光信号的产生和光功率分配集成在光子芯片内部，是一种具有创新价值的有源光子芯片。本研究利用氮化镓系材料在可见光波段的低损耗特征，将光子集成芯片处理的光信号波段拓展至可见光通信范围。本研究与部分已发表光子集成芯片进行指标对比，如表1所示。
表 1 本研究与部分已发表光子集成芯片指标对比涂兴华等人[22,23]设计了一种由输入波导、缓变展宽波导和宽的直过渡波导组成的Y分支结构，可以大大降低分支结构损耗。以此Y分支结构为主要分支点，在第2级分支处引入非对称结构，设计实现了一种1×8光分路器。研究了波导折射率、弧形波导长度、分支角及光波长对1×8平面波导光分路器输出特性的影响。基于光波长850～1550 nm, Y型分支波导与布拉格波导光栅的光子集成芯片不仅能够实现1×8的光分路功能，还可以利用在输出波导端的布拉格波导光栅具备的波分复用功能进行通道反射信号的监控。尹小杰等人[24]针对现有的无源光网络监控机制存在的不足，优化设计光分路器将平面波导光分路器与深刻蚀布拉格波导光栅集成在同一个光子芯片上，实现了多通道网络信息传输与网络通道状态监控功能，大幅降低了光网络结构传输与监控并行的实现难度。
已发表的国内外关于平面波导型光分路器的研究工作主要关注单独工作的光分路器的性能优化，主要进行了无源光子器件的实现与光子集成芯片研究，且较多关注近红外光波段的分路器研究[25,26]。光分路器大多没有与发射光信号的光源进行集成，特别是面向可见光通信的，针对可见光波段的集成式平面波导光分路器的研究仍较少。目前可见光通信网络的终端系统关于可见光信号的上集成处理研究仍较少，本文的研究尝试利用具有可见光信号收发和处理潜力的氮化镓系第3代半导体材料，在光子集成芯片内部对可见光信号进行复合功能处理，包括对可见光信号进行光功率分配的片上功能实现。研究光子集成芯片在可见光通信领域的光信号传输和功率分配，为可见光通信的全光网络实现提供新的研究思路和方案。具有可见光信号光功率分配功能的光子集成芯片在可见光全光通信网络中，有望实现高速低成本的可见光信号功率直接分配和传输，不必再通过光电/电光转换的方式，利用电子电路对可见光通信网络里的商用LED芯片进行间接控制。可以减少光电/电光转换过程产生的能耗，精简可见光通信网络中的电子电路组件。本文面向可见光通信应用，研究集成了微型LED器件和多口分路器的光子集成芯片。以标准半导体工艺为基础，将发射可见光信号的微型LED器件和多口分路器集成在同一个光子集成芯片上。利用微型LED器件发射可见光信号，可见光信号耦合进入多口分路器，在光分路器节点处进行了多级的等分光比的可见光信号分路，实现了可见光信号的发生、传输和多口光信号分路的复合功能集成。利用该光子集成芯片进行可见光通信测试，证明该光子集成芯片在可见光通信领域的应用潜力与价值。
2. 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的光传输仿真
本文利用光学仿真软件Rsoft中的BeamPROP模块对光子集成芯片中分路器的可见光信号传输特性进行有限元仿真分析。BeamPORP模块使用先进的有限差分光束传播法 (finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件的工作特性。图1为可见光信号在分路器结构中传输情况的仿真模型及仿真分析结果。根据分路器的几何参数、物理参数和形貌特征测量数据，本文建立了分路器的仿真模型。仿真模型中的可见光信号为波长445 nm的高斯光。图1(a)和图1(b)分别为Y分支结构多口分路器仿真模型的顶视图和横截面图。如顶视图所示，波导高度设置为2.5 μm，宽度设置为8 μm，主体为GaN材料的波导在波长为445 nm的情况下折射率设置为2.45。图1(c)为分路器中可见光信号传输的仿真结果，追踪观察了可见光信号在分路器内部的光强分布和光功率的变化情况。图1(d)中蓝线为跟踪1号端口对应波导内部的光功率变化，红线为跟踪2号端口对应波导内部的光功率变化，绿线为跟踪3号端口对应波导内部的光功率变化。可以观察到在第1个分路节点处，可见光信号分成了光强相等的两路，右侧一路耦合进入2级分路节点。在左侧波导外观察到辐射泄露的部分可见光信号。在第2个分路节点处，实现了对可见光信号的第2次等比例分路。
3. 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片制备及形貌表征
图2为面向可见光通信的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的示意图。多口分路器共有两级分路节点，在每一个节点处都将在直波导内传输的可见光信号分为2路，且光功率的分光比均为1:1等比例均分。左侧的微型LED器件是发射可见光信号的光源，可见光信号耦合进入多口分路器，在第1个分路节点处进行第1次等比例分光，进入两个分光比相同的直波导。下端第2个分路节点对可见光信号进行第2次等比例分光，实现了片上集成微型可见光信号光源的多口分路器光子芯片。
本文使用的材料为带有InGaN/GaN多量子阱结构的硅基III族氮化物外延晶圆。图3(a)为晶圆的分层截面示意图，图3(b)为硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路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器件和多口分路器的主要结构，之后利用III-V族材料电感耦合反应离子刻蚀(Inductively Coupled Plasma-Reactive Lon Etching, ICP-RIE)(电感耦合等离子体反应离子刻蚀)将氮化物外延层刻蚀至n型 GaN 层(步骤(1))。去除残留光刻胶后，再利用光刻技术在硅基III族氮化物上表面制备金属电极图形，利用电子束蒸镀技术沉积20 nmNi/180 nmAu金属薄膜，最后利用剥离技术获得作为微型LED器件正负电极的金属结构 (步骤(2), (3))。同时，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，实现可见光信号的信息传输。
图4为利用光学显微镜观察的制备完成的硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片。光子集成芯片加工质量良好，微型LED器件和波导多口分路器结构都得到完整实现。如图4(a)所示，微型LED光源和多口分路器由直波导连接，微型LED光源发射的可见光信号可以由直波导传输耦合进入多口分路器。作为光子集成芯片核心部分的多口分路器结构清晰完好，没有明显加工缺陷。图4(b)为耦合传输可见光信号的直波导结构，直波导的长度为80 μm。图4(c)为硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器结构的放大图，可见光信号共分为3路，从上至下分光比分别为2:1:1，分路器内部的水平方向直波导的长度为70 μm。
图5为利用扫描电子显微镜观察的多口分路器结构的加工细节，从图5可以发现利用III-V族材料ICP-RIE刻蚀加工的多口分路器结构边缘比较光滑，没有明显的粗糙和缺陷。图5(a)为多口分路器的分光节点，图5(b)为分路器内部的波导90°拐角部分，图5(c)为分路器内部波导结构的中段部分，图5(d)为分路器内部波导结构的末端部分。
图6为利用原子力显微镜观察的多口分路器结构关键部分的3维形貌特征。图6(a)为多口分路器直波导截面图，图6(b)为利用原子力显微镜自带的NanoScope Analysis软件提取波导截面图，观察到直波导高度约为2.5 μm，宽度约为8 μm。图6(d)为分路器内部第1个光分路节点的3维原子力图，图6(c)为软件提取分路节点截面图，观察到波导节点处高度约为2.8 μm，宽度约为7 μm。多口分路器加工质量较好，侧壁有一定程度的倾斜，波导结构的横截面为上窄下宽的梯形结构。
4. 硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片的性能测试及测试结果分析
4.1 光子集成芯片的光电特性表征
图7(a)为利用连接到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上微型LED发光器件的I-V(电流-电压)曲线。微型LED器件表现出典型的二极管电流电压特性，开启电压约为3 V，电压为12 V时电流为3 mA。 图7(b)为不同注入电流下测得的微型LED发光器件的电致发光光谱图。利用连接到探针台的半导体参数分析仪驱动微型LED器件发光，通过放置在器件正上方0.5 cm处的光纤收集微型LED器件发射光耦合进入光谱仪进行测量分析。由图7(b)可知，微型LED器件的电致发光光谱峰值在445 nm左右，为蓝光波段可见光信号。随着器件注入电流增强，微型LED器件的发射光强线性增强。说明微型LED器件的发射光强受到注入电流的线性调制，适合作为调幅可见光通信的信号发射终端。图7(c)为不同注入电流下测得的微型LED 器件电致发光总光强(即光谱仪在整个发光光谱域下对光强的积分值)，随着注入电流不断增大微型，LED器件的出射光总光强的提升幅度越来越明显。
图8为硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片在注入电流为1～10 mA情况下的工作状态照片。当注入电流小于5 mA时，分路器末端的出射光信号不明显。随着注入电流逐渐增加至10 mA，分路器末端亮度也逐渐增加，出现了明显的光信号出射。其中1#为连接第1个分光节点的端口，2#和3#分别为连接第2个和第3个分光节点的端口。
本文利用图像分析处理软件Image J，对图8中不同注入电流下光子集成芯片的工作状态照片进行分析，对分路器不同端口的出射光强进行量化处理。Image J 可以进行图像的区域和像素统计，分析不同区域的亮度、颜色、几何尺寸等指标。分析光子集成芯片在1～10 mA注入电流下的工作状态图片，使用无量纲单位对1～3号端口位置区域的像素的亮度进行表征，全黑像素亮度设定为0，全白像素亮度设定为15000，1～15000的无量纲数值为光强测试范围的上下限。使用Image J的自动分析荧光强度功能，得到了表2中定量的光强数值。根据量化的端口出射光强数据，得到图9中随注入电流变化的分路器不同端口的出射光强曲线，图中可知随着注入电流增加，各个端口的出射光强增加，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芯片，使得芯片具有发射可见光信号的功能。可见光信号在波导链路上传输，使得芯片具有传输可见光信号的功能。可见光信号经过波导链路传输，耦合进入Y分支多口分路器，使得芯片具有分配可见光信号功率的功能。在不同注入电流下分路器2号端口和3号端口的出射光强接近。在注入电流较低时，分路器1号端口的光强近似是分路器2号端口和3号端口光强的总和。当注入电流增加至10 mA时，1号端口的光强超过了2号端口和3号端口光强的总和。上述量化分析说明在分路器的两个分路节点上，硅基InGaN/GaN多量子阱多口分路器光子集成芯片都成功实现了对可见光信号的等比例分光，但是在注入电流较大的情况下，由于到达次级分路节点的可见光信号在波导内部传输距离更长损耗更大，造成了一定程度的分光误差。上述分析说明该分路器可以实现可见光信号的光功率分路，但是还有进一步研究优化的空间，分路器2号端口和3号端口的出射光强损耗可以通过器件优化设计和提高加工质量等手段进一步减小，保证分路器2号端口和3号端口的出射光强比例稳定。
表 2 分路器不同端口的出射光强电流(mA) 3 4 5 6 7 8 9 10 1号端口光强(a.u.) 1854.1 4065.9 4580.9 6455.0 9363.0 12213.1 13929.8 14582.0 2号端口光强(a.u.) 330.1 922.0 797.9 1102.0 1964.0 2873.0 3021.0 3383.0 3号端口光强(a.u.) 147.1 481.0 215.1 795.9 1944.0 1684.0 2025.0 1776.0 4.2 光子集成芯片的通信测试
如图10所示，利用信号发生器在光子集成芯片的微型LED器件上加载300 kHz的矩形波信号，利用光纤探针收集传输至分路器端口处的调制可见光信号，将光纤接入光电探测器转换为电信号，使用示波器对比输入输出信号。根据传输信号波形对比可知，输出端信号的波形、频率与幅值均跟随输入端矩形波信号变化趋势一致，验证了该光子集成芯片具有可见光通信的功能。本文的研究工作主要聚焦于光子集成芯片的可见光信号的多功能复合处理，实验条件和本文研究工作关注点的限制，该光子集成芯片实现了针对可见光信号的片上复合功能，但是在可见光通信的传输速率测试方面数值仍较低，在后续实验中将着重关注在可见光信号多功能处理的基础上提升可见光通信传输速率。
5. 结束语
本文创新性地提出一种基于硅基InGaN/GaN多量子阱材料的微型LED加分路器结构的集成化芯片，可以实现可见光通信领域的可见光信号片上发射、处理和探测的复合集成功能。将发射可见光信号的微型LED器件和用于对可见光信号进行光功率分配的多口分路器集成在同一个光子集成芯片上，实现了对可见光信号的有效传输和不同比例的光功率分路。本文对光子集成芯片进行了形貌、光电特性和通信测试等多方面表征。微型LED器件的开启电压约为5 V，电致发光光谱的发光峰为445 nm，注入电流不断增大，微型LED器件的出射光总光强的提升幅度越来越明显。随着微型LED器件注入电流增加至10 mA，分路器末端亮度也逐渐增加，出现明显的可见光信号出射，对分路器的可见光信号传输特性进行有限元仿真分析，仿真结果显示可见光信号传输进入波导多口分路器，可实现可见光信号的光功率平均分配，3个分路端口的分光比分别为2:1:1。对光子集成芯片进行可见光通信测试，在微型LED器件发射端加载300 kHz的矩形波电信号，分路器端口处的调制可见光信号实现了有效可见光通信。由于研究内容局限，本文尚未关注整个可见光通信系统的设计和实现。在后续研究中将对芯片进行适当封装，将光子集成芯片与商用白光LED灯桥接，或使用黄色荧光粉将芯片的蓝光信号转换为适用于LED照明系统的白光信号。
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表 2 分路器不同端口的出射光强
电流(mA) 3 4 5 6 7 8 9 10 1号端口光强(a.u.) 1854.1 4065.9 4580.9 6455.0 9363.0 12213.1 13929.8 14582.0 2号端口光强(a.u.) 330.1 922.0 797.9 1102.0 1964.0 2873.0 3021.0 3383.0 3号端口光强(a.u.) 147.1 481.0 215.1 795.9 1944.0 1684.0 2025.0 1776.0 
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