基于硅绝缘体的2微米波段波长选择性光探测系统

逍遥设计自动化

引言
6 d( H/ e1 d1 K短波红外(SWIR)波段，特别是2微米附近的波长区域，对于光谱传感和光通信应用具有重要意义。这个光谱区域对于检测温室气体和生物标志物的强吸收线特别有效。硅绝缘体(SOI)平台为开发此波长范围的光电子集成器件提供了优异的基础，结合了高折射率对比度实现紧凑波导线路的优势，并与现有电子制造工艺兼容[1]。
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系统架构与设计
该波长选择性探测系统集成了两个主要部分：双通道马赫-曾德尔干涉仪(MZI)滤波器和光栅耦合的砷化铟镓光电探测器。系统在400纳米厚的硅层上制造，具有3微米埋氧层。设计包含用于输入光耦合的光栅耦合器，以及通过MZI滤波后传输到集成光电二极管的光栅耦合器。

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图1展示了从硅波导到光电探测器(PD)的光传播仿真结果，分别使用(a)100纳米和(b)500纳米厚的InterVia层，证明较厚的层具有更好的耦合效率。

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集成技术
9 f9 ?# z0 c  W: e6 X& c: v系统的关键方面是砷化铟镓光电探测器与SOI线路的异质集成。通过微转印技术(MTP)实现集成，这种方法在材料利用效率和低温加工方面具有优势。光电探测器采用应变平衡量子阱设计，将探测波长延伸到晶格匹配值1.65微米之外，同时保持低暗电流。
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" f/ j# |% \- Q& j图2显示了印刷在MZI线路上的光电探测器的光学显微图像，展示了多个器件成功集成的结果。

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8 o3 D% C( q2 q, ^9 C9 k1 ^' u性能特征
  T1 W) P8 h, s9 D集成系统展现了优异的性能指标。光电探测器在-2伏偏压下仅显示15纳安的暗电流，对应极低的漏电流密度7.6×10-4安培/平方厘米。这种低暗电流归因于应变平衡量子阱的使用。

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5 o; L' W3 v: ]: u图3展示了器件印刷前后的光电二极管暗电流-电压特性，显示性能保持一致。

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图4呈现了(a)光栅耦合器的测量响应，插图为扫描电镜图像，以及(b)MMI输出端口的测量响应，插图为扫描电镜图像。

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; u9 A" R2 u1 n7 p* M, g$ ], s" ~2 X; ?波长滤波性能
基于MZI的波长滤波器展示了优异的光谱选择性。系统实现了13.45纳米的自由光谱范围(FSR)，输出端口之间的最大消光比达到25分贝。使用工作在1950.66纳米和1957.72纳米的两个单模激光器验证了波长分离能力。

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图5显示了(a)MZI和激光器的传输光谱，以及(b)交叉和直通端口印刷探测器的测量光电流，证明了波长选择性。
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系统集成与耦合效率
通过仔细设计中间层厚度，优化了SOI波导与光电探测器之间的耦合效率。使用500纳米厚的InterVia层，系统通过光栅耦合器到器件的光功率耦合达到69%，相比之下100纳米薄层仅为43%。
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器件响应度与系统性能
5 y. {: {8 r) d$ t集成光电探测器在顶部照明测量时展示了0.4安培/瓦的响应度，对应约25%的量子效率。包括耦合损耗在内的整体系统响应度达到0.1安培/瓦。波长滤波器在1950.66纳米和1957.72纳米处的输出端口之间实现了11分贝和9.5分贝的功率抑制。

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: N: |8 _9 V0 B  @结论
, g+ e. V1 R: c这个集成波长选择性光探测系统代表了SWIR光电子技术的重要进展。多个探测器保持性能的成功集成，结合有效的波长滤波，为2微米波长带的片上传感应用提供了新的方案。未来的改进，如在探测器上增加顶部反射器，可以通过光在量子阱区域的多次通过进一步提高系统响应度。
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系统的性能指标，特别是低暗电流密度和良好的响应度，使其适用于环境监测、生物医学传感和SWIR范围的光通信等多种应用。所展示的集成方法为实现包含主动和无源组件的更复杂光电子集成芯片指明了方向。
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参考文献
[1] Y. Arafat et al., "Silicon-on-insulator wavelength-selective filter with integrated detectors at the 2 μm wave band," Opt. Letters, vol. 49, no. 22, pp. 6553-6556, Nov. 2024.
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