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【中文导读】半导体学报2021年第4期——半导体光电子集成技术专刊
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半导体光电子集成技术专刊
在过去二十年中，光子集成回路（photonic integration circuits简称PIC）技术蓬勃发展，受到学术界和产业界的共同关注。得益于材料生长、加工以及设计能力的进步，PIC技术已经在III–V族材料(InP，GaAs)、硅、二氧化硅、薄膜铌酸锂（LNOI）以及聚合物等多种材料体系上得到应用和发展。集成度也由几个功能部件的简单集成发展到成千上万个部件的复杂集成。PIC芯片在性能以及规模上的提升已经成为通信及信息技术发展的重要推动力。
为了反映PIC领域的最新进展，《半导体学报》组织了一期“半导体光电子集成技术”专刊，本专刊特别邀请中科院半导体研究所王圩院士担任首席编辑，并邀请中科院半导体研究所赵玲娟研究员、中科院半导体研究所陆丹研究员、加拿大渥太华大学姚建平教授、山东大学黄卫平教授、电子科技大学刘永教授和中科院西安光学精密机械研究所Brent Little客座教授担任特约编辑。该专刊已于2021年第4期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
本专刊包括8篇特邀综述和3篇研究论文，聚焦于PIC主流平台的关键器件及技术进展。其中，Hao Sun等人综述了基于InP、铌酸锂及硅基材料的光频梳研究的最新进展；Mengxi Tan等人介绍了基于克尔微腔频梳和无源微环谐振滤波器的宽带射频信道化技术；Swapnajit Chakravarty等人回顾了III–V族材料与硅基材料的集成方案，并介绍了LNOI和铁电材料片上集成的可行性路线；Shuai Yuan等人回顾了LNOI材料及相关器件的最新研究进展，其中涵盖了超高速电光调制器、光频率梳、片上光机电系统、周期极化铌酸锂波导倍频技术以及LNOI的高效端面耦合技术等内容；Mengxi Tan等人回顾了他们在固定和可调正交偏振单边带光信号发生器的工作，以及基于双偏振微环谐振器的射频均衡器研究工作。还有3篇综述主要介绍了激光光源的研究进展。Jianou Huan等人综述了面向短距离应用的直接调制激光器（DML）的研究进展，详细阐述了数据中心和5G前传网络的数据传输要求及技术标准，同时也介绍了最近DML技术的发展路线及成果。Songtao Liu 和 Akhilesh Khope综述了硅基高性能激光器及放大器相关研究，包括超窄线宽III–V/Si激光器、片上集成III–V/Si/Si3N4激光器、多通道量子点锁模激光器及高增益量子点放大器。Chanchan Luo等人综述了基于波导外腔的窄线宽半导体激光器技术进展。另有3篇研究论文报道了集成光源、微环基信号发生器以及高频测试技术。其中，Lianping Hou等人报道了一种用于密集波分复用系统的单片集成多波长光源的制造方法；Yuhua Li等人将硅纳米晶粒嵌入高折射率掺杂硅基微环谐振器，提高了波导非线性；Mengke Wang等人报道了一种通过低速光采样实现对高速马赫曾德尔调制器和探测器进行频率响应表征的方法。
我们衷心希望本期专刊可以为读者提供有价值的概述和参考。在此感谢各位作者对本期专刊的突出贡献。同时，也对半导体学报所有编辑制作人员的支持致以诚挚的谢意。
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综述文章
1
集成电光频率梳的研究进展
光频梳作为一种重要的工具，可以广泛应用于测试测量领域，包括光谱学、计量、高精度测距、传感、光学和微波波形合成、信号处理和通信等。产生光频梳的技术包括锁模激光器、克尔微腔谐振器和电光调制等。表征光频梳性能的指标包括梳齿的数量、间距、光谱形状和平坦度以及强度噪声。与电光调制技术相比，锁模激光器和克尔微腔都可以获得更多的梳齿，在梳齿间距调谐方面具有更大的灵活性。对于光通信和微波光子学应用来说，通过高度集成方式来实现多梳齿的产生将是一种具有吸引力的方案。加拿大麦吉尔大学Lawrence R. Chen教授等人综述了近年来基于磷化铟、铌酸锂及硅基材料的光频梳产生的研究进展。
Recent progress in integrated electro-optic frequency comb generation
Hao Sun, Mostafa Khalil, Zifei Wang, Lawrence R. Chen
J. Semicond. 2021, 42(4): 041301
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041301
2
基于克尔光学微梳的光子射频信道化技术
澳大利亚Swinburne科技大学David J. Moss教授等人介绍了近年来基于克尔微腔频梳和无源微环谐振滤波器的宽带射频信道化技术的工作进展，微腔频梳间隔达到了200 GHz和49 GHz。这种实现射频信道化的方法降低了系统复杂性、尺寸和潜在成本，可广泛应用于微波信号检测。
图1. 基于集成光梳状源的宽带射频信道发生器原理图。（a） 基于200GHz微蜂窝MRR和49GHz无源MRR的信道发生器。（b） 基于孤子晶体微控制器的宽带射频信道发生器原理图。
Photonic radio frequency channelizers based on Kerr optical micro-combs
Mengxi Tan, Xingyuan Xu, Jiayang Wu, Thach G. Nguyen, Sai T. Chu, Brent E. Little, Roberto Morandotti, Arnan Mitchell, David J. Moss
J. Semicond. 2021, 42(4): 041302
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041302
3
硅光子集成回路中的混合材料集成
硅光子集成回路（PICs）广泛采用III-V族材料和铁电材料的混合集成来增强其功能。键合和转移印刷技术已成为III-V族增益介质与硅基PICs集成的常用方法。铁电材料研究领域也在考虑采用类似的方法来实现具有更大的RF调制带宽，更高的线性度，更低光损耗的单片集成光调制器。
美国IMEC USA的Swapnajit Chakravarty等人回顾了现有的III-V族材料集成方法，并提出了在同一芯片上实现III-V族和铁电材料混合集成的途径。类似于最大化Si波导中与增益介质的模场交叠的方案，通过在混合集成铁电材料和Si材料之间进行模场绝热变换，使两种材料的模场得到最大化交叠，从而获得光能量的有效交换，最终达到降低硅基/III-V混合集成PICs激射阈值目的。文章展示了初步兼容代工模式的多功能Si基混合集成途径。
图1.（a）模式交叠的混合集成激光器示意图。（b）混合集成激光器截面扫描电镜图。
Hybrid material integration in silicon photonic integrated circuits
Swapnajit Chakravarty, Min Teng, Reza Safian, Leimeng Zhuang
J. Semicond. 2021, 42(4): 041303
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041303
4
基于绝缘体上薄膜铌酸锂的光子器件
近十年来，集成光子学的研究进展迅速。研究人员在硅和磷化铟等材料上建造了低损耗光波导、激光器、调制器、探测器，并实现了多功能器件的单片集成。这些集成光子芯片的优点是尺寸小、集成度高、功耗低，并且由于减少了链路损耗而获得高增益，同时能够实现更复杂的功能。然而，硅、磷化铟等材料自身存在一些缺陷，使得上述研究成果无法满足微波光子系统集成的要求。例如，基于绝缘体上硅（SOI）和InP材料的电光调制器具有温度敏感性、非线性失真、双光子吸收等缺点，不适用于微波光子系统。因此，迫切需要研究人员寻找一种新的宽带光电器件集成平台。
绝缘体上的铌酸锂（LNOI）材料在结构上类似于SOI材料。它可以分为三层，衬底层（硅），低折射率氧化物层（二氧化硅）和高折射率器件层（铌酸锂薄膜）。由于铌酸锂和二氧化硅之间的高折射率对比度，薄膜铌酸锂波导具有强的光场限制和紧凑的波导弯曲半径，从而减小了光子器件的尺寸。LNOI继承了体材料铌酸锂优良的材料和光学特性，具有类似SOI平台的光子器件集成能力，非常适合构建新一代宽带、低功耗微波光子RF前端芯片。
华中科技大学光电国家研究中心夏金松教授课题组在本文中总结了近年来国内外基于LNOI材料平台光电子器件与系统的研究进展，针对宽带电光调制器、光频梳、片上声光电系统、周期性极化薄膜铌酸锂（PPLN）波导、光纤与薄膜铌酸锂波导高效光耦合这五个部分进行了详细描述，展示了一系列代表性成果，体现了LNOI作为新一代光电子器件集成平台的优势和巨大潜力。同时，文中还描述了本课题组在各个研究方向上取得的进展和突破，包括宽带薄膜铌酸锂调制器、高品质因子微环谐振器、PPLN波导以及模斑转换器。尤其是在光纤-波导的高效耦合方面，本课题组创新性地提出了基于双层锥形波导和包层波导的端面耦合器，实现了迄今为止最低的耦合损耗（单端0.54 dB @ 1550 nm）。
图. 薄膜铌酸锂调制器光学显微镜图及扫描电镜图。
图. 双层锥形波导端面耦合器结构示意图。
LNOI除了具有优异的电光调制和光学非线性产生特性外，其优异的压电和声光特性也在光机电系统中得到了证实。此外，由双层锥形波导和包层波导组成的端面耦合器在整个C+L波段提供了有效的光纤-芯片耦合。光子集成电路（PICs）的各种关键构件已经在这个平台上建立起来。下一阶段，可以通过混合集成的方法引入光源与探测部分，实现LNOI片上系统，进一步提升集成度与整体性能。同时，继续发展基于光刻技术的LNOI器件制备，实现大规模生产。
Photonic devices based on thin-film lithium niobate on insulator
Shuai Yuan, Changran Hu, An Pan, Yuedi Ding, Xuanhao Wang, Zhicheng Qu, Junjie Wei, Yuheng Liu, Cheng Zeng, Jinsong Xia
J. Semicond. 2021, 42(4): 041304
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041304
5
集成环形谐振器的正交偏振射频光学单边带产生
澳大利Swinburne科技大学David J. Moss教授等人综述了近年来基于高Q集成环形谐振器的窄带正交偏振光RF单边带发生器和双通道均衡技术的研究进展。器件工作在光通信C波段，并可在固定或热可调频率范围内进行射频操作，它们通过谐振器中TE/TM模式的双折射进行工作。通过固定和可调频器件实现了光载波边带比和双通道射频均衡器均具有大于55 dB的动态调谐范围。
图1. （a）FSR = 200 GHz的DP-MRR示意图。DP-MRR的（b）TE和（c）TM模式剖面。（d），（e）和（f）FSR=49 GHz MRR的相应结果。
Orthogonally polarized RF optical single sideband generation with integrated ring resonators
Mengxi Tan, Xingyuan Xu, Jiayang Wu, Thach G. Nguyen, Sai T. Chu, Brent E. Little, Arnan Mitchell, Roberto Morandotti, David J. Moss
J. Semicond. 2021, 42(4): 041305
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041305
6
超100 Gbaud短距传输应用中的直调激光器综述
未来的5G前传网络和数据中心需要数量庞大的高速短距通信链路，为了满足这一需求，基于直调激光器的强度调制-直接探测（intensity-modulation and direct-detection，IM/DD）系统因其低成本，结构简单以及高效率等优势受到了越来越多研究人员的关注。随着5G前传网络和数据中心数据流量的指数级增加，现在基于直调激光器的IM/DD链路已无法满足未来超100 Gbaud的速率需求，其中最主要的瓶颈在于直调激光器的调制带宽。
针对这一瓶颈，荷兰埃因霍温理工大学（TU/e）、电子科技大学、南京邮电大学的学者展开了系统探讨。一方面他们总结了未来数据中心和5G前传网络对数据速率的要求以及相应的技术标准，另一方面详细介绍了增大直调激光器调制带宽的原理、技术路线以及前沿进展。最后，结合二者详细讨论了近年来超200 Gb/s IM/DD传输链路的研究实验成果，他们指出了宽带高速直调激光器的发展方向和应用于未来高速IM/DD传输链路的良好前景及具体技术实施路径。
图1. 不同弛豫振荡频率（fR）下直调激光器的调制传递函数示意图。图中也包含峰值频率fp，弛豫振荡频率fR和3-dB截止频率f3dB间的关系。fd：阻尼振荡频率。
Beyond the 100 Gbaud directly modulated laser for short reach applications
Jianou Huang, Chao Li, Rongguo Lu, Lianyan Li, Zizheng Cao
J. Semicond. 2021, 42(4): 041306
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041306
7
硅基高性能光源与光放大器最新进展
得益于现有成熟的半导体先进技术，硅光集成器件由于其制作工艺与CMOS工艺相兼容从而得到了巨大的发展。硅光芯片目前的单片集成度已达8192个独立元器件。但是由于硅的间接带隙半导体材料特性，其光子产生和放大效率远远不如其他直接带隙半导体（比如磷化铟或者砷化镓），从而大大限制了硅基全集成光芯片的进一步发展。
在光集成芯片功耗、成本和尺寸等因素的驱动下，相关科研单位和业界公司对硅基光源和光放大器进行了深入的调研和研发，许多具有创新性的想法被提出和展示。美国Ayar实验室刘松涛博士等人主要着重于近期所报道的基于键合和直接生长技术的高性能硅基光源和光放大器，对文献中所提出的方法和针对的问题进行了分析和介绍。本文回顾了一些典型光器件比如超窄线宽硅基激光器、硅基锁模激光器和硅基光放大器等，对它们的性能和应用场景做了全面的分析。目前基于键合方式的光器件已经开始商业化进程，基于直接生长技术的光器件还处于萌芽之中。我们相信，低成本、高性能的硅基全集成光电芯片将在不久的将来出现。
图. 薄膜铌酸锂调制器光学显微镜图及扫描电镜图。
Latest advances in high-performance light sources and optical amplifiers on silicon
Songtao Liu, Akhilesh Khope
J. Semicond. 2021, 42(4): 041307
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041307
8
波导外腔窄线宽半导体激光器
随着大数据、云计算、物联网、移动互联网、人工智能、人机交互为代表的信息时代到来，人类对信息传输、处理和感知的容量、速度、距离、灵敏度和分辨率提出了前所未有的迫切需求。基于相干探测原理的光纤通信、激光通信、分布式光纤传感和调频连续波激光雷达等渐进入涉及国计民生信息传输处理感知的方方面面。窄线宽激光器是相干探测系统中少有的核心有源器件，且激光器线宽决定相干探测系统的诸多性能。上述应用领域不仅要求激光器线宽窄，而且要求其尺寸小、能耗低、重量轻、成本低，波导外腔窄线宽半导体激光器是满足上述诸多应用的最佳选择，也是近10年来激光器研究领域的一大热点。
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所III-V信息光电子科研团队近年来一直致力于波导外腔窄线宽半导体激光器研究。本文中，该团队全面综述了该类激光器的研究现状和发展趋势，指出研发波导外腔窄线宽半导体激光器的必要性及其应用场景；从绝热啁啾理论和外腔激光器等效模型出发，推导出激光器线宽的主要影响因素；进一步以波导外腔为研究对象，重点阐述了各种低损耗波导在实现该类激光器性能方面的利弊之处；在此基础上，以波导外腔和增益区的集成方式为主题，重点阐述了对接混合集成和异质集成方式的优缺点和上述两类波导外腔窄线宽半导体激光器的研究发展现状；最后，我们点评了基于上述两种集成方式实现的波导外腔窄线宽半导体激光器在满足上述需求应用方面的利弊之处，进而得出结论：单片集成波导外腔窄线宽半导体激光器是满足上述各类应用的最佳选择，这也是我们团队一直开展的研究方向。此外，我们认为频率稳定性差是当前该类激光器的一大弊端，解决这一问题成为该类激光器应用于传感领域的当务之急。高功率输出、大范围线性调谐是该类激光器的未来发展方向，多频段混合激光系统以及与其他单元器件的集成值得关注。
表1. 由UCSB（异质集成激光器国际主要研究机构）制造的异质集成激光器的性能。
注：缩写MRR为微环谐振腔Microring、缩写LR为Loop Mirror.
Waveguide external cavity narrow linewidth semiconductor lasers
Chanchan Luo, Ruiying Zhang, Bocang Qiu, Wei Wang
J. Semicond. 2021, 42(4): 041308
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/041308
研究论文
1
精确控制信道间隔的低成本的单片集成DWDM发射源
格拉斯哥大学侯廉平副教授报告了一种用于密集波分复用（DWDM）系统的单片集成多波长半导体激光源的低成本制作方法。该方法可提高集成芯片的成品率，只需一次外延生长 和一次电子束曝光（EBL），不需要传统的对接生长（butt-joint）和选择区域生长（SAG）等二次刻蚀和外延的复杂工艺。该光源的四个分布式反馈（DFB）激光器阵列采用侧面耦合取样布拉格光栅（C-SBG）和重构-等效啁啾（REC）技术，每个激光器后面集成具有同一有源区（IEL）的电吸收调制器（EAM) ，然后通过升余弦S形弯曲波导 (Raised cosine S-bend，相对普通的S 波导, 它避免了曲率半径的不连续性, 最大程度地减小模式失配损耗) 和耦合器 (4×1 MMI)，半导体光放大器（SOA）集成。SOA不但可以可以弥补4×1 MMI 固有的6-dB 损耗，而且当切换信道波长时，SOA还可以用于关闭输出。对于升余弦S形弯曲波导和4×1 MMI 等无源波导，则通过其自主开发的基于全外延结构的溅射SiO2量子阱混杂（QWI）集成技术得到。该QWI技术操作简单，使用灵活，而且成本很低。该单片集成DWDM发射源的波长间隔为0.8 nm（100 GHz）, 残留误差<0.13 nm, 所有通道的边模抑制比（SMSR）值均大于33 dB。SOA确保每个的信道的输出功率大于10 mW，使得该DWDM光源很适合在无源光网络（PON）中使用。侯廉平副教授研究小组还研究了使用多段相移采样布拉格光栅（PS-SBG) 来增加光栅有效耦合系数κ并精确控制各信道DFB激光器的发射波长间隔。他们采用两段π相移的采样布拉格光栅（2PS-SBG）制作了具有100 GHz信道间隔的8通道DFB激光器阵列，所有通道的SMSR值均大于35 dB。
为了降低光子集成器件的成本同时提高集成器件的成品率, 我们必须开发新的制作工艺和技术，特别是在接入网中，我们必须以低成本来支撑不断增长的数据传输速率。例如，下一代PON的标准将会采用密集波分复用（DWDM）技术，支持40 Gb/s或更高的数据传输速率, 并要求信道发射功率>10 dBm。单片集成激光器阵列因其高效能，小尺寸和高可靠性而被认为是在DWDM系统中最有前途的方法。多波长DFB激光器阵列不需要动态波长调谐，因此可以在WDM通道之间快速切换，并且每个激光器都以稳定的单纵模（SLM）运行。但是，在此类应用中，波长必须与国际电信联盟（ITU）的网格对齐, 相邻信道之间的间隔为100 GHz（0.8 nm @1550 nm）。我们可以通过制造DFB激光器阵列来实现，其中激光器激射波长间隔为100 GHz，使用精确的温度和电流调节可将整个阵列的波长和DWDM 规定的波长网格对齐。
众所周知，每个DFB激光器的光栅周期Λ 通过布拉格公式λB= 2×neff×Λ与布拉格波长λB相联系，其中neff是模式有效折射率。假设neff = 3.2，要获得0.8 nm波长间隔，激光器光栅周期差ΔΛ必须小至0.125 nm，这大大超出了 EBL的最小分辨率（0.5 nm）。因此，需要我们开发出一种超出EBL分辨率，减少DFB 激光器激射波长间隔的方法。日本科学家开发了一种使用加权剂量分配可变光栅周期的EBL技术，但是该技术难以实现且不适合大批量生产。第二个挑战是确保每个激光器都单纵模运行，这可以通过简化整个光子集成器件的制备过程来实现。侯廉平副教授课题组使用低成本的制作方法，基于和光波导一次形成的侧壁C-SBG和REC技术, 以提高SLM成品率；采用IEL集成结构用于EAM；基于全外延结构的溅射SiO2 QWI 技术以减少无源波导中的传输损耗。与掩埋光栅，butt-joint和SAG集成技术相比，他们的光子集成技术不需要在不同集成器件之间进行蚀刻和再生长，因此也可以用于AlGaInAs/InP光子集成器件的制作，避免了在蚀刻界面处Al的氧化，从而提高器件的可靠性。
其DWDM 集成芯片的器件结构和尺寸见图1。DFB激光器采用侧壁耦合C-SBG结构。所有激光器使用相同的种子光栅周期Λ，并且各个激光器的工作波长由其采样周期Z0决定。在每个DFB激光器谐振腔的中心位置放置一个等效四分之一波长的相移（EPS），EPS可显著提高单纵模的成品率。QWI 让无源波导 (Raised cosine S-bend, 4×1MMI) 的带隙波长蓝移100 nm，从而降低波导传输损耗。在TE 1550 nm 波长下，其波导损耗可以降到4/cm。
图1.（a）DWDM激光源光学显微图, （b）具有等效相移的侧壁采样布拉格光栅的示意图和相关尺寸, （c）侧壁采样光栅的SEM图，以及（d） 4×1 MMI耦合器的输入部分。
C-SBG功率反射谱的计算结果 如图2所示, 其中激光器波导内部损耗 15/cm 也已经考虑在内。0级种子光栅波长位于1480 nm。激光器的激射波长由+1级反射峰决定, 位于1556.54和1554.14 nm之间, 间距为0.8 nm。-1阶波长在1410 nm左右，和0级光栅波长一样，它们的模式增益很低，激光器难以在此波长范围激射。
其报道的 DFB激光波长可以通过改变驱动电流来调谐。其电流调谐系数为0.013 nm/mA。当电流保持恒定时, 在-5至+70°C的范围内, 其温度调谐系数约为0.1 nm / K。每个DFB激光器的电流调谐范围约为2.3 nm, DFB1和DFB4之间的最大波长差为4.61 nm。在电流调谐期间, 没有发生模式跳变。
在IDFB = 300 mA（=3×Ith），ISOA= 150 mA和VEAM = 0 V的运行条件下, 室温下从SOA侧测得的 四个DFB激光器的激光波长分别为1558，1557.27，1556.62，1555.64 nm，波长间隔约为0.8 nm，与图2所示的模拟的结果非常接近，所有DFB 激光器SMSR值均大于33 dB。各个DFB激射波长通过线性拟合得到的残差从-0.084到0.13 nm不等；小幅度残差归因于EBL提供的对采样光栅周期Z0和光栅间距 Λ 的精确控制。可以通过在每个通道中使用单独的电加热器稍微改变温度（<1.5°C）或通过微调驱动电流（<10 mA）来消除残差。
图2. C-SBG DFB 阵列四个通道的模拟功率反射谱。
使用C-SBG时, 有效光栅耦合系数κ会大大降低。假设采样周期占空比为50％，κ值减小到均匀光栅 κ值的0.32(1/π)倍，因为50%采样周期没有光栅。因此他们还展示了多段相移采样布拉格光栅（PS-SBG）结构，可增加有效κ值。多段PS-SBG和C-SBG的光谱反射特性和有效κ值文中也进行了总结。其中2PS-SBG，其有效光栅耦合系数相对C-SBG 提高了一倍，是均匀光栅κ值的0.64 (2/π) 倍；4PS-SBG 的有效光栅耦合系数κ可以达到连续光栅的0.90 倍，这样可以大大地减少激光器的腔长，提高DFB激光器的调制速率。所以多段PS-SBG 结构将来还可以用于制作直接调制DFB 激光器（DML）。
作者使用2PS-SBG方案，将0阶侧壁光栅周期设置为250 nm，采样周期为7.979 μm至9.206 μm，制造了八通道DFB激光阵列，其通道间距为0.837 nm，残差为0.059 nm，所有通道的SMSR值均大于35 dB。
总之，侯廉平副教授研究小组通过结合C-SBG，REC，IEL和QWI技术演示了适用于PON的4通道DWDM发射源。该器件的每个通道的输出功率> 10 dBm，通道间隔为0.8 nm（100 GHz），SMSR>33 dB。该方法的优点是不需要二次外延和多次的再刻蚀过程，可以对各个激光波长进行精确控制，提供较高的单纵模成品率和较低的制造成本。使用C-SBG结构时，κ值减小到均匀光栅的κ值的0.32倍（假设采样周期占空比为50％），但是通过使用多段PS-SBG设计，在保持精确度的同时还可以增加κ值，不但可以精确控制DFB激光器阵列的波长间隔，而且可以减少激光器的腔长。基于2PS-SBG 结构，使用一次外延生长和一次电子束曝光制造了8通道DFB激光器阵列，通道间距0.837 nm，残差值0.059 nm，SMSR>35 dB。
Lianping Hou, Song Tang, John H. Marsh
J. Semicond. 2021, 42(4): 042301
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/042301
2
硅纳米晶体芯层提升高折射率差玻璃微环的Kerr非线性
非线性集成光学技术能在毫米尺寸的芯片上设计不同材料的波导结构。利用截面尺寸小和波导长度长的优势，显著提高光场的非线性效应。富硅材料，如硅、氮化硅、高折射率差玻璃材料等，普遍具有很高的非线性。但是，由于带隙相对较小，硅波导中的双光子吸收抑制了Kerr非线性效应。
香港城市大学朱世德教授课题组近期提出一种将不同富硅材料整合在同一波导结构之中来提升Kerr非线性的新思路。具体方法是通过将硅材料嵌入到传统高折射率差玻璃波导芯层的方式制备一种的新型微结构波导，如图1所示。课题组与中科院西安光机所和西安奇芯光电科技有限公司合作开展工艺研发，通过优化硅材料薄膜生长过程中的炉内气氛、退火条件等工艺参数，成功地制备出平均直径约为3 nm，厚度约20 nm的硅纳米晶体（Si-nc）薄膜芯层。
图1.（a）模拟强度依赖的突触可塑性。（b）记忆突触阵列模拟图像布尔运算。
该硅纳米晶体芯层不仅将高折射率差玻璃波导的Kerr非线性系数提高2倍的同时，还成功地把新型波导的传输损耗控制在0.32 dB/cm的可接受水平。在以这种波导构成的微环谐振腔中，仅需功率低至1 mW的连续光泵浦就可以产生显著的四波混频效应。更有趣的是，实验测得的四波混频转换效率与泵浦功率之间呈线性关系（见图2（d））。这说明在硅纳米晶体芯层中硅材料的非线性吸收效应被明显抑制，并且进一步证实了这种新型波导结构具有极小的色散，在产生光频梳、光孤子晶体等应用上有良好的应用前景。
图2. （a）上下话路型微环谐振腔的工作原理。（b）常规结构和（c）嵌有硅纳米晶薄膜的49 GHz微环谐振腔的TE模式下光学响应曲线。（d）微环谐振腔内四波混频转换效率与入射泵浦功率的关系。
本研究中嵌有硅纳米晶的微环谐振腔仅支持TE偏振模式光的传输，因此优化后的微环谐振腔不仅能选频，还起到了偏振片的作用，后续可以根据所需求光的偏振模式，选择水平或竖直嵌入硅纳米晶薄膜。该项工作有望提高该高折射率差玻璃光子集成平台在全光信号处理、高带宽光通信等方面的性能。
Four-wave mixing in silicon-nanocrystal embedded high-index doped silica micro-ring resonator
Yuhua Li, Xiang Wang, Roy Davidson, Brent E. Little, Sai Tak Chu
J. Semicond. 2021, 42(4): 042302
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/042302
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基于低速光学采样的高速光链路电光调制器和光电探测器的高频测试
光电子器件，如电光调制器和光电探测器，是光通信链路的核心器件。在高速宽带应用中，光电子器件频响特性直接决定光链路的性能，因此，对光电子器件频响参数的测试是器件表征和系统优化的基础。光电子器件频响特性参数测试可分为光学和电学两类方法。电光调制器光学测试一般采用光谱仪，受到波长分辨率限制，频率分辨率不高。光电探测器光学测试一般采用双波长光源或者自发辐射光源，受到波长漂移或拍频线宽限制，频率分辨率也不高。为了提高分辨率，广泛采用电谱扫频法，但是该方法只能测量电光调制器和光电探测器的级联频响参数，必需复杂的额外校准才能获得单个器件的独自频响参数。
针对该问题，电子科技大学刘永教授、张尚剑教授课题组提出了基于低速光学采样的高频测试方法，用于分别获得高速光链路中电光调制器和光电探测器的独自频响参数。该方法采用低重频采样脉冲入射到光链路中的被测电光调制器和光电探测器，将电光调制信号下变频采样至第一奈奎斯特频率（< 50 MHz），提取出被测电光调制器的调制系数和半波电压，摆脱光电探测器的影响；之后，通过空载调制得到被测光电探测器的频响参数，摆脱电光调制器的影响。实验采用96.9 MS/s锁模脉冲源同时实现了两种器件在50 GHz范围内的高频测试，无需破坏光链路进行额外校准。该方法借助超宽频谱采样脉冲不仅实现了电光调制器和光电探测器的独立测试，也极大地扩展了测量光电子器件的频率范围（> 100 GHz），并为光链路中光电子器件在线表征提供了新方案。
Mengke Wang, Shangjian Zhang, Zhao Liu, Xuyan Zhang, Yutong He, Yangxue Ma, Yali Zhang, Zhiyao Zhang, Yong Liu
J. Semicond. 2021, 42(4): 042303
doi: 10.1088/1674-4926/42/4/042303
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