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中红外激光器在光子集成电路PIC的优势

作者:维尔克斯  时间:2021-10-21 11:19:26

光子集成电路(PIC)被视为21世纪富有前途的光子技术之一,那么它与普通的电子集成电路有什么区别呢?晶体管、电容器、电阻器等电子器件是由电子集成电路集成而成,而包括激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等光学器件是由PIC集成的。Femtum中红外激光器具有2.8um的波长,在光子集成电路领域具有重要的应用。


光子集成电路(PIC)的基本背景及行业痛点:

PIC包含两类,一类是无源PIC,全部是由平面波导技术制成的无源光器件,相对而言较为成熟,由光滤波器、光复用器、解复用器、调光衰减器等等组成;另一类是有源PIC,比如激光器、调制器、PIN探测器、光放大器等等,技术较为复杂。

光波导制成的难点有以下原因:

1、  要求加工精度高。集成电路中的传输的激光器波长一般为um级别,亚um的偏差就可能产生大的损耗和衰减。因此加工精度要控制在亚um量级。

2、  图形复杂。包括二维和三维空间的几何图形,因为集成电路中有些器件的功能通过特定的集合图形来实现,如透镜、光波导元器件。

3、  材料多样。制作光波导的材料涉及导体、半导体和绝缘体,如何将这些材料牢固地结合在一起,并发挥每一种材料的特性和功能是至关重要的。

因为中红外激光器可以被材料或分子选择性吸收在电子、光子或医疗行业多层设备的激光处理中不影响其他相邻层,且相较于CO2激光器只能用于粗加工而言,精度更高,所以优势非常明显。

普通制备光波导的技术包括①垫积技术:真空蒸汽垫积(镀膜)、溅射垫积、溶液垫积、化学气相垫积,②置换技术:扩散技术、离子交换和迁移技术(相互扩散),③外延生长技术:液相外延、气相外延、分子束外延,⑤光刻技术等等这些方法一般较为复杂,加工精度差距较大,加工技术门槛较高,这是行业的痛点。而目前的中红外加工技术可以做到精度更优,工业更简单,加工边缘无需处理,所以提升了效果和效率。


中红外激光器在光子集成电路(PIC)领域的优势:

现在集成光子学的开始兴起了,也是未来的主要趋势。硅和锗等半导体材料是电子工业中使用最广泛的材料之一,通过使用光子代替电子,基于硅、锗或其他半导体材料的光子集成电路(PIC)能够开发出超紧凑、低成本的收发器、开关和传感器,其功能比电子产品更高。有望在即将到来的物联网(InternetofThings,简称IOT)时代发挥重要作用,有些人甚至梦想一个光子世界,其中大部分实际电子元件都被光子器件取代!光子集成电路如下图,只有一个硬币的大小。

因此,在市场需要的引导下,必然会产生需求。那么接下来我们该如何迎接这个新的时代呢?

因为硅和锗是强非线性材料(非线性效应如下图),在中红外区域大多是透明的。且光子集成电路的波导特性导致对在器件内部传播的光进行强限制。中红外激光器对PIC加工的设计具有很高的灵活性,可以显着增强四波混频和受激拉曼和布里渊散射等新型非线性效应。实验证实:使用近红外激光器(波长<2.2µm)时,这些非线性效应会因波导中的双光子吸收(TPA)导致的自由载流子吸收和色散而衰减。因此,可以通过使用发射超过2.5µm的中红外激光器来规避这个主要问题,这就涉及到中红外激光器的应用。

Femtum中红外激光器就是为此而设计的,产生可产生2.8~3.6µm的高功率可调光波长,也有单波长2.8um激光器,且并提供灵活性和简单性,使研究人员能够更容易使用。凭借近乎完美的输出光束质量(飞秒和纳秒),Femtum激光器可以有效地耦合到光子集成电路,还可以与现有的半导体或带间级联激光器集成,以提高光功率并使设置更加坚固和紧凑。下图为硅(红色)和锗(蓝色)的相对透射率。硅中双光子吸收(TPA)占主导地位的光谱区域也以红色突出显示,这部分光谱在实际加工中应该被抑制。Femtum2.8um激光器的发射区域(以绿色突出显示)因此是中红外集成光子学的理想波段,2.8um激光器是个理想的中红外应用的选择。

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