全硅集成平台实现光信号生成、操控和检测的完整系统

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引言
硅基光电子技术已成为创建大规模、高复杂度集成光学和电光系统的领先技术，有望在通信、传感和计算领域带来显着变化。尽管硅基光电子具有诸多优势，但一个长期存在的限制是无法在硅光子平台内直接产生光，这使得系统必须采用混合集成方法或外部光源通过光纤耦合的方式。这些方法增加了封装复杂性和成本，同时降低了系统可靠性。

本文介绍硅基光电子领域的重要进展：完整的全硅集成平台，该平台在单个芯片上结合了光信号生成、操控和检测的功能，无需任何工艺修改或后处理步骤。这一由麻省理工学院和加州大学伯克利分校研究人员开发的成果，代表了该领域的重要里程碑，为真正单片集成的光学系统提供了新的技术路径[1]。
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; z* k- K7 x1 \5 C$ T, a( U+ s硅基光源的挑战
. R1 U$ C4 N! M+ f硅是间接带隙半导体，这使其在光发射方面本质上效率低下。这一基本限制导致普遍认为标准硅光子平台中无法实现单片集成光源。传统方法依赖于将III-V材料与硅进行异质集成，或使用外部光源通过光纤连接到光电子集成芯片。这两种方法都为硅基光电子系统增加了显着的复杂性和成本，限制了其在众多应用中的广泛采用。

全硅集成平台
Marc de Cea及其同事开发的全硅集成平台结合了三项基本功能：使用原生硅LED生成光信号，通过波导和其他光子元件操控光信号，以及使用集成光电探测器检测光信号。这三种功能都在标准商用硅光子制造工艺中实现，无需任何工艺修改。

光信号生成
该平台具有多种类型的原生波导耦合硅LED。这些LED依靠正向偏置p-n结中的声子辅助辐射复合过程生成波长约为1.13 μm的光，接近硅的带隙。

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图1：全功能单片硅基光电子平台中的光生成器件，包括线性肋波导LED、谐振条带波导LED以及新型谐振肋波导硅LED，后者可产生4 nW的输出功率。

: z  D1 G  H0 T# I, |6 M4 y- S研究人员引入了基于横向p-n结的谐振肋波导硅LED。该器件实现了4 nW的输出功率，比他们之前的设计大16倍。LED的光谱中心位于λ? ≈ 1.13 μm，全宽半高约为80 nm。

3 ?5 f3 q, W# H! A; Z, }1 A, ?该设计使用过耦合谐振环以最大化输出功率。与典型的谐振器件不同，该光谱中没有尖锐的谐振峰，因为环与总线波导强耦合，使环中产生的所有功率都能高效地提取到输出端。生成的光在空间上相干（耦合到单模波导中），但在时间上不相干。

在8 mA偏置电流（对应4.2 V）下，LED在总线波导中产生约4 nW的光功率。与之前的演示相比，这代表了20倍的改进，为下游应用提供了更强的信号。

光信号操控
' |6 l7 o: R; R! l+ i3 I% |& O( D该平台集成了用于路由和操控生成光信号的标准无源和有源元件，包括波导、相移器、谐振器和干涉仪。
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0 I  i2 y& Q8 ?. e% j  ?* l图2：全功能平台的光操控、检测和单片集成电子能力，包括低损耗波导、Si到SiN过渡区以及各种光电探测器选项。

2 @* s  @& q# i: V# J& O3 z" D有效光信号操控面临两项独特挑战。首先，需要宽带元件以高效利用LED输出的全光谱。其次，在工作波长下硅中的传输损耗较高（约14 dB/cm）。

' d9 K* y: ?6 D% k8 w1 j为解决这些挑战，研究人员实现了10 μm长的宽带Si到SiN线性锥形过渡区，测量损耗小于0.3 dB。对于超过400 μm的路由路径，转换到SiN波导非常有利，因为SiN在生成波长下的传输损耗大幅降低（约0.5 dB/cm）。
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此外，SiN波导在LED和其他电活性硅元件（如光电探测器）之间提供电隔离。这种隔离防止了使用硅波导连接元件时可能发生的电串扰。研究人员测量了通过30 μm长Si波导连接的LED和光电探测器触点之间的电阻为2 MΩ，这会产生显着的寄生电流，可能掩盖光信号。
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光信号检测
, b. |) @& M& n% s为检测生成的光信号，该平台利用在工作波长下具有高响应度的Ge基光电探测器。

- H( B0 a/ A( {这些探测器在LED波长下实现了约0.63 A/W的响应度，对应约0.68的量子效率。与之前的工作相比，这代表了25倍的响应度提升，显着增强了读出信号并简化了所需的读出电子线路。
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由于工作波长比传统硅基光电子技术使用的波长短，也可以使用SiGe甚至Si光电探测器获得良好的响应度，与Ge光电探测器相比，这些探测器的暗电流要低得多。
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单片集成电子线路：该平台的一个关键优势是能够在同一基板上集成高性能电子线路，具有低寄生效应。使用GlobalFoundries 45SPCLO等工艺，可以在光子元件旁边实现复杂的电子功能，用于读出和控制。

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实验演示
9 Z5 W4 ]1 `8 s: H& ]3 R  n为展示平台功能，研究人员演示了从光生成到检测的完整链路。
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图3：平台功能的实验演示，显示(a)单片链路布局，包括LED、波导和光电探测器，(b)芯片显微照片，以及(c)LED偏置电压与光电流的关系。

% ^$ j  x' X3 ?: s1 V演示系统包括用于光生成的谐振Si LED、用于低损耗路由和电隔离的SiN波导以及用于光检测的Ge光电探测器。整个链路仅占300 μm × 100 μm空间，无需光学封装，可在同一芯片上轻松、低成本地复制多个此类链路。
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, P8 t# O2 @# B( u+ e1 v) r. z实验结果显示光电流高达700 pA，比之前的演示提高了1000倍。这一增长来自改进的LED功率输出和更好的光电探测器响应度的结合。这些光电流水平可被同一工艺中的现有集成电子系统轻松测量。
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- M, N$ g0 t1 v  {" S应用于折射率传感器
该平台一个特别有前途的应用是开发完全集成、真正单片的光学折射率传感器。这些传感器可应用于诊断、药物和化学品开发、环境监测和生物研究等领域。

环形谐振器传感器工作原理
基于环形谐振器的光学折射率传感依靠检测环形谐振器暴露于分析物时的谐振波长变化。当分析物改变环周围的介电环境时，它会修改传播光学模式的有效折射率，导致谐振波长按照以下公式发生偏移：

- _9 J, f/ k2 n1 K  \; cΔλ? = (Δneff·λ?)/ng

其中Δneff是由于分析物引起的有效折射率变化，ng是光学模式的群折射率。通过测量这种波长偏移，可以确定分析物的浓度。

: f4 W9 u0 |/ p0 z+ p- t传统光学折射率传感器需要外部光源、光谱仪和复杂的光耦合机制，使其昂贵且体积庞大。研究人员的全硅集成平台实现了真正的单片集成方法。

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图4：基于环形谐振器的折射率传感基本原理，分析物的添加改变环中光学模式的有效折射率，导致谐振波长移动。

传感器实现方案
研究人员提出了一种与其宽带光源兼容的传感方法。在这种设计中，"传感"环形谐振器暴露于分析物，而带有集成加热器的"跟踪"环形谐振器作为参考。反馈系统保持两个环的传输光谱对齐，以最大化光电探测器电流。当引入分析物时，传感环的谐振发生偏移，降低光电探测器电流。然后，反馈系统通过调整跟踪环的温度（通过集成加热器）恢复最大电流。维持对齐所需的加热器电流与分析物浓度成正比。
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+ {: _& ?7 s. s2 S4 a7 G+ ~这种方法消除了对外部光源、光谱仪或复杂光学封装的需求，实现了更简单、更紧凑、更低成本的系统。此外，可以在同一芯片上实现多个传感宏单元，用于同时检测不同分析物。
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7 U/ [! G# C. g7 d. C1 l图5：全集成折射率传感器的传感方案，基于保持传感环和跟踪环对齐的反馈系统，可在单个芯片上实现多个传感宏单元。
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, Y6 Y. X. j# u7 |理论性能
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图6：提出的集成折射率传感器灵敏度与LED总功率和电流传感器噪声底限的关系，显示(a)谐振波长变化检测限制和(b)折射率灵敏度。
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. a3 Z$ X/ X0 X研究人员建立了理论模型，评估其提出的传感器设计可达到的性能。对于使用谐振肋波导LED演示的3.5 nW光功率，传感器可实现0.8 pm的最小可检测谐振波长变化和4.12 × 10?? RIU（折射率单位）的最小可检测折射率变化。

这一性能与传统高成本台式系统的性能相当，后者通常在谐振波长上实现0.22 pm的灵敏度，在折射率上实现7.6 × 10?? RIU的灵敏度。主要区别在于传统系统由于其更高的群折射率光学模式而实现更好的折射率灵敏度。
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优势和潜在应用
* Y# d' s0 Q1 x- B全硅集成平台提供了几个关键优势。首先，不需要工艺修改，意味着该平台可在现有光子代工厂中实现，无需额外的后处理步骤。其次，该平台消除了光学封装的需求，如光纤连接或混合集成，大幅降低了复杂性和成本。第三，其紧凑尺寸（
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除折射率传感器外，潜在应用还包括用于验证光连接和相位控制的内置自测试(BIST)、低光功率足够的随机数生成器以及用于电隔离与光信号传输的紧凑型光隔离器。
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结论
用于光信号生成、操控和检测的全硅集成平台代表了硅基光电子技术的重要里程碑。通过克服硅中光生成的长期限制，这种方法实现了真正的单片、全功能光子系统，无需工艺修改或额外的封装步骤。
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( M0 Q. u1 S6 T9 Y- t& o5 r6 ^光生成效率（提高20倍）和光电检测灵敏度（提高25倍）的改进使整体链路性能与之前工作相比提高了1000倍。这些进展使平台能力达到了现有集成电子系统可直接使用的水平。

7 a4 f( U) M, M/ U虽然与III-V光源相比，生成的光功率仍然较低，但该平台的简单性、低成本和高集成度使其非常适合于那些这些优势超过绝对性能需求的应用。对折射率传感器的详细分析表明，可以用更低成本和更小尺寸实现与最先进实验室系统相当的性能。

参考文献
8 s( T" ~* ~+ ]5 ^- \) \5 k& T[1] M. de Cea, D. Kramnik, V. Stojanovic, and R. J. Ram, "All-silicon integrated platform for light generation, manipulation, and detection—and its application to refractive index sensors," Optica, vol. 12, no. 5, pp. 577-584, May 2025, doi: 10.1364/OPTICA.544894.
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