面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2015274

摘要/Abstract

摘要：

随着信息传递、处理以及存储能力要求的不断提升，传统的近红外通信波段已呈“容量紧缩”之势。而工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术在中红外信号传输和处理方面已经显示出独特优势，有望在中红外波段实现大规模集成，在非线性光学等领域实现新的飞跃。首先介绍了硅基光电子技术在中红外应用中的优势以及目前研究过程中所遇到的困难和挑战；其次结合材料属性和结构特性对一些基本元件（如波导、分束/合束器、二极管）等在中红外领域的最新研究成果进行了介绍；最后对近5年来在中红外波段所实现传感应用的非线性光学硅基器件（基于FWM的非线性光学器件、频率梳）和面向中红外通信应用的激光器、调制器、光电探测器进行了成果介绍，并对研究进展进行了总结。

关键词: 硅基光电子学, 中红外光谱, 非线性光学, 传感, 光通信

Abstract:

“Capacity Crunch”in NIR field needs to be forestalled since the pressure of information transmission，processing and storage is continually growing.Silicon photonics，with compatibility of CMOS，compact structure and low fabrication cost，shows its superiority in the field of mid-IR transmission and signal processing.Thus a lead forward is excepted to be realized in large-scale integration of mid-IR devices and nonlinear optical and other field.The strengths and challenge of silicon photonics in mid-IR application were estimated firstly.Then some“building block”components of silicon photonics in mid-IR（waveguides，beam splitter/combiner，diode，etc）were introduced.Achievements of devices （nonlinear optical devices based on FWM，frequency comb in sensing field and laser，modulator，detector in communication field）within the last five years were presented.Finally，the conclusion was made for recent research progress.

Key words: silicon photonics, mid-infrared spectroscopy, nonlinear optical, sensing, optical communication

舒浩文,苏昭棠,王兴军,周治平. 面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展[J]. 电信科学, 2015, 31(10): 22-35.

Haowen Shu,Zhaotang Su,Xingjun Wang,Zhiping Zhou. Recent Progress of Silicon Photonics for Middle-Infrared Application[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(10): 22-35.

图/表 21

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

图19

图20

图21

参考文献 57

1	Baehr-Jones T . Silicon-on-sapphire integrated waveguides for the mid-infrared. Opt Express， 2010（18）： 12127～12135
2	Milo?evic M . Rib waveguides for mid-infrared silicon photonics. J Opt Soc， 2009（B26）： 1760～1766
3	Soref R . Mid-infrared photonics in silicon and germanium. Nature Photonics， 2010，4（8）： 495～497
4	Raghunathan V ， Borlaug D ， Rice R R ， et al. Demonstration of a mid-infrared silicon Raman amplifier. Opt Express， 2007（15）： 14355～14362
5	Liu X ， Osgood R M ， Vlasov Y A ， et al. Mid-infrared optical parametric amplifier using silicon nanophotonic waveguides. Nature Photon， 2010（4）： 557～560
6	Milo?evic M M . Silicon waveguides and devices for the mid-infrared. Appl Phys Lett， 2012（101）： 121105
7	Nedeljkovic M . Silicon photonic devices and platforms for the mid-infrared. Optical Materials Express， 2013，3（9）
8	Cheng Z . Focusing sub wavelength grating coupler for mid-infrared suspended membrane waveguide. Opt Lett， 2012，37（7）： 1217～1219
9	Cheng Z . Mid-infrared suspended membrane waveguide and ring resonator on silicon-on-insulator. IEEE Phot J， 2012，4（5）： 1510～1519
10	Milo?evic M M . Silicon waveguides for the 3～4 μm wavelength range. Proceedings of the 8th IEEE Conference on Group IV Photonics（Institute of Electrical and Electronics Engineers）， New York，USA 2011： 208～210
11	Baehr-Jones T . Silicon-on-sapphire integrated waveguides for the mid-infrared. Opt Express， 2010，18（12）： 12127～12135
12	Li F . Low propagation loss silicon-on-sapphire waveguides for the mid-infrared. Opt Express， 2011，19（16）： 15212～15220
13	Spott A . Silicon waveguides and ring resonators at 5.5 μm. Appl Phys Lett， 2010，97（21）： 213501
14	Shankar R . Integrated high-quality factor silicon-on-sapphire ring resonators for the mid-infrared. Appl Phys Lett， 2013，102（5）： 051108
15	Mashanovich G Z . Low loss silicon waveguides for the mid-infrared. Opt Express， 2011，19（8）： 7112～7119
16	Khan S ， Chiles J ， Fathpour S . Silicon-on-nitride waveguides for mid- and near-infrared integrated photonics. Appl Phys Lett， 2013，102（12）： 121104
17	Spott A . Mid-infrared photonics in silicon. Proceedings of SPIE 2011， California，USA， 2011
18	Zhang L ， Yue Y ， Beausoleil R G ， et al. Flattened dispersion in silicon slot waveguides. Opt Express， 2010（18）： 20529～20534
19	Milo?evic M M . Silicon waveguides and devices for the mid-infrared. Appl Phys Lett， 2012，101（12）： 121105
20	Reimer C . Mid-infrared photonic crystal waveguides in silicon. Opt Express， 2012，20（28）： 29361～29368
21	Fan L ， Wang J ， Varghese L T ， et al. An all-silicon passive optical diode. Science， 2012（335）
22	Zhang X Z . All-optical diode in mid-infrared waveband based on self-phase modulation effect in silicon ring resonator. Acta Phys Sin， 2013，62（2）
23	Bristow A D ， Rotenberg N ， van Driel H M . Two-photon absorption and Kerr coefficients of silicon for 850～2200 nm. Appl Phys Lett， 2007（90）： 191104
24	Claps R ， Raghunathan V ， Dimitropoulos D ， et al. Influence of nonlinear absorption on Raman amplification in Silicon waveguides. Opt Express， 2004（12）： 2774～2780
25	Liang T K ， Tsang H K . Role of free carriers from two-photon absorption in Raman amplification in silicon-on-insulator waveguides. Appl Phys Lett， 2004（84）： 2745～2747
26	Soref R A ， Emelett S J ， Buchwald W R . Silicon waveguided components for the long-wave infrared region. J Opt， 2006（8）： 840～848
27	J alali B . Prospects for silicon mid-IR Raman lasers. Selected Topics in Quantum Electronics，IEEE J Sel Top Quant Electron， 2006（12）： 1618～1627
28	Jalali B ， Fathpour S J . Silicon photonics. Lightwave Technol， 2006（24）： 4600～4615
29	Soref R . Toward silicon-based longwave integrated optoelectronics（LIO）. Proceedings of SPIE 6898， Bellingham，USA， 2008
30	Ebrahim-Zadeh M ， Sorokina I T . Mid-Infrared Coherent Sources and Applications. New York：Springer， 2007
31	Liu X ， Osgood R M J ， Vlasov Y A ， et al. Mid-infrared optical parametric amplifier using silicon nanophotonic waveguides. Nature Photon， 2010（4）： 557～560
32	Zlatanovic S . Mid-infrared wavelength conversion in silicon waveguides using ultracompact telecom-band-derived pum p source. Nature Photon， 2010（4）： 561～564
33	Schliesser A ， Picque N ， Ha¨nsch T W . Mid-infrared frequency combs. Nat Photonics， 2012（6）： 440～449
34	Maddaloni P . Mid-infrared fibre-based optical comb. New J Phys， 2006（8）： 262
35	Sorokin E ， Sorokina I T ， Mandon J ， et al. Sensitive multiplex spectroscopy in the molecular fingerprint 2.4 mm region with a Cr2：ZnSe femtosecond laser. Opt Express， 2007（15）： 16540～16545
36	Adler F . Phase-stabilized，1.5 W frequency comb at 2.8～4.8 mm. Opt Lett， 2009（34）： 1330～1332
37	Hugi A ， Villares G ， Blaser S ， et al. Mid-infrared frequency comb based on a quantum cascade laser. Nature， 2012（492）： 229～233
38	Pearl S ， Rotenberg N ， van Driel H M . Three photon absorption in silicon for 2300～3300 nm. Appl Phys Lett， 2008（93）： 131102
39	Lin Q ， Painter O J ， Agrawal G P . Nonlinear optical phenomena in silicon waveguides：modeling and applications. Opt Express， 2007（15）： 16604～16644
40	Griffith A G . Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation. Nat Commun， 2015（6）： 6299
41	Oehrlein G S . Dry etching damage of silicon：a review. Mater Sci Eng， 1989（4）： 441～450
42	Desiatov B ， Goykhman I ， Levy U . Demonstration of submicron square-like silicon waveguide using optimized LOCOS process. Opt Express， 2010（18）： 18592～18597
43	Griffith A ， Cardenas J ， Poitras C B ， et al. High quality factor and high confinement silicon resonators using process. Opt Express， 2012（20）： 21341～21345
44	Levy J S . CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nat Photonics， 2009（4）： 37～40
45	Lamont M R E ， Okawachi Y ， Gaeta A L . Route to stabilized ultrabroadband microresonator-based frequency combs. Opt Lett， 2013（38）： 3478～3481
46	Vivien L ， Polzer A ， Marris-Morini D ， et al. Zero-bias 40 Gbit/s germanium waveguide photodetector on silicon. Opt Express， 2012，20（2）： 1096～1101
47	Sheng Z ， Liu L ， Brouckaert J ， et al. InGaAs PIN photodetectors integrated on silicon-on-insulator waveguides. Opt Express， 2010，18（2）： 1756～1761
48	Wang X ， Cheng Z ， Xu K ， et al. High responsivity graphene/silicon heterostructure waveguide photodetectors. Nat Photonics， 2013，7（11）： 888～891
49	Logan D F ， Jessop P E ， Knights A P . Modeling defect enhanced detection at 1550 nm in integrated silicon waveguide photodetectors. J Lightwave Technol， 2009，27（7）： 930～937
50	Thomson D . Optical detection and modulation at 2～2.5 μm in silicon. Opt Express， 2014（22）： 10825～10830
51	Ackert J J . High-speed detection at two micrometres with monolithic silicon photodiodes. Nat Photonics， 2015（9）： 393～397
52	Foster P J ， Doylend J K Mascher P ， et al. Optical attenuation in defect-engineered silicon rib waveguides. J Appl Phys， 2006（99）： 073101
53	Nedeljkovic M ， Soref R Mashanovich G Z . Free-carrier electro-refraction and electro-absorption modulation predictions for silicon over the 1～14 um wavelength range. IEEE Journal of Photonics， 2011，3（6）： 1171～1180
54	Sang X ， Tien E K Boyraz O . Applications of two photon absorption in silicon. J Optoelectron Adv Mater， 2008（11）
55	Liang T K ， Tsang H K Day I E ， et al. Silicon waveguide two-photon absorption detector at 1.5 μm wavelength for autocorrelation measurements. Appl Phys Lett， 2002（81）
56	Li S . Two-photon absorption and all-optical modulation in germanium-on-silicon waveguides for the mid-infrared. Opt Lett， 2015（10）： 2213～2216
57	Hon N ， Soref R Jalali B . The third-order nonlinear optical coefficients of Si，Ge，and Si1- xGex in the midwave and longwave infrared. Appl Phys， 2011（110）

[1]	王甫镔, 孙士渊, 王梦辉, 杨昉, 王小斐, 宋健. 多光源可见光通信关键技术[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 3-10.
[2]	张昊宇, 姚力, 陈超旭, 施剑阳, 沈超, 迟楠. 基于BO-BiGRU的后均衡器在水下高速可见光通信系统中的应用[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 11-19.
[3]	马天洋, 陈雄斌, 徐义武. 基于可见光通信的零能耗光标签[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 20-27.
[4]	胡珈玮, 刘晓谦, 唐昕柯, 董宇涵. 基于DQN的UUV辅助水下无线光通信轨迹规划系统[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 42-47.
[5]	刘晓谦, 唐昕柯, 董宇涵. 水下无线光MIMO链路空间信道建模[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 48-56.
[6]	王玮, 王建萍, 冯莉芳, 金建力. 基于可见光的通信定位一体化技术研究[J]. 电信科学, 2023, 39(5): 57-66.
[7]	占亚波, 涂潜, 李俊, 宗震. 大规模输电线路状态监测传感器网络的周期性低功耗通信技术方案[J]. 电信科学, 2023, 39(2): 83-91.
[8]	张海龙, 李博, 贾娜娟. 基于Dijkstra算法的电力光通信网络智能运维设备脱网故障区段定位方法[J]. 电信科学, 2023, 39(1): 92-99.
[9]	吴冰冰, 赵文玉, 张海懿. 高速光模块关键技术方案及标准化进展[J]. 电信科学, 2022, 38(9): 105-115.
[10]	丁铖, 陈锦荣, 曹小冬, 王翊. 基于服务质量的层次化结构资源分配算法[J]. 电信科学, 2022, 38(1): 102-111.
[11]	袁仁智, 王志峰, 彭木根. 紫外光通信散射信道模型分析与发展现状[J]. 电信科学, 2021, 37(6): 45-54.
[12]	李德钊, 许鹏飞, 朱科健, 周治平. 硅基光电子在通信中的应用和挑战[J]. 电信科学, 2021, 37(10): 1-11.
[13]	李勇燕,吴坚平. 基于IPSO-MC融合算法的无线传感器节点定位[J]. 电信科学, 2020, 36(3): 11-18.
[14]	王娜娜,刘兆霆,姚英彪. 非理想信道下的传感器网络一比特最大似然算法[J]. 电信科学, 2020, 36(3): 53-60.
[15]	刘浩然,王星淇,邓玉静,覃玉华. 基于级联失效的有向无标度网络节点重要度评价模型[J]. 电信科学, 2020, 36(2): 43-51.