北京邮电大学信息光子学与光通信全国重点实验室, 北京 100876
硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征, 是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产, 具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点, 广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外, 硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟, 但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下, 本文从直接外延无偏角III-V/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术, 以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展, 重点介绍了本研究组在硅基外延III-V族量子阱和量子点激光器方面的研究进展, 包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。
硅基光电子 硅基外延激光器 无偏角Si (001)衬底 量子阱激光器 量子点激光器 对称负极芯片结构 silicon photonic epitaxial lasers on silicon on-axis silicon (001) substrate quantum well laser quantum dot laser symmetrical negative chip structure
1 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
2 中国科学院半导体研究所，北京 100083
本课题组设计了一种用于硅基外延激光器的对称负极芯片结构，与传统共面电极芯片结构相比，该结构大幅降低了硅基激光器的微分电阻，使激光器性能显著提升。采用该电极结构以及基于无偏角Si（001）衬底的量子点激光器外延材料进行了激光器芯片制作。芯片尺寸为1500 μm×50 μm的激光器的微分电阻仅为1.52 Ω，单面输出光功率可达70 mW。实验结果表明：相比于传统共面电极芯片结构，该芯片结构可将器件的微分电阻降低约75%；当注入电流从1.2倍阈值电流增大到2.8倍阈值电流时，激射波长红移量减少了约77%，特征温度由27.2 K提高到43.4 K，斜率效率增大了约26.4%，最大光电转换效率增大了约4.7倍。所设计的芯片结构方案为制作高性能硅基外延激光器提供了一种优化的技术途径。
激光器 硅基激光器 直接外延 对称负极结构 微分电阻 中国激光
2023, 50(11): 1101019
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
本文提出了一种有效改善GaAs/Si（001）材料表面形貌和晶体质量的应变平衡超晶格结构及其制备方案。在无偏角Si（001）衬底上，采用金属有机化学气相沉积技术生长了具有应变平衡超晶格结构的GaAs外延层，并在相同条件下仅生长了GaAs外延层作为比较。采用原子力显微镜、光致荧光光谱仪和双晶X射线衍射仪对两种样品进行表征与测试。测试结果表明：与未采用该方案生长的样品相比，采用应变平衡超晶格结构方案生长的样品的均方根表面粗糙度由1.92 nm（10 μm×10 μm）降至1.16 nm（10 μm×10 μm），光致荧光光谱峰值强度提高5倍以上，光致荧光光谱峰值半峰全宽从31.6 nm降为23.4 nm，XRD曲线峰值半峰全宽降低了30.4%，X射线衍射峰值强度提升了472.2%。该方案可显著改善GaAs/Si（001）材料的表面形貌及晶体质量，对制备硅基电子和光电子器件具有重要意义。
材料 硅基砷化镓材料 表面粗糙度 应变平衡超晶格 金属有机化学气相沉积
1 北京邮电大学理学院，北京 100876
2 北京石油化工学院致远学院，北京 102617
3 北京邮电大学电子工程学院，北京 100876
4 中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100031
光的干涉图样携带了光波的振幅、频率、相位和偏振等重要的信息，而两束任意偏振态高斯光束干涉尚未被详细研究，因此研究高斯光束的偏振态与干涉图样之间存在的关联很有必要。本文利用光纤马赫-曾德尔干涉仪，对任意偏振态高斯光束空间干涉场进行了研究，得到了任意偏振态高斯光束干涉光强空间分布理论公式，并通过实验进行了验证。研究表明：两束偏振态完全相同高斯光束干涉，可以得到对比度为1的清晰干涉条纹图样；两束正交偏振态高斯光束无干涉现象，对比度为0；其他偏振条件下高斯光束干涉图样对比度介于0和1之间。本文理论和实验结果对于理解和应用偏振光干涉具有非常重要的意义。
物理光学 偏振光干涉 条纹对比度 椭圆偏振 圆偏振 光纤马赫-曾德尔干涉仪 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2126001
1 北京邮电大学电子工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
2 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
3 中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室，北京 100083
从第一性原理出发，计算了不同温度下GaAs材料中沿{110}、{111}和{112}面传播的反相畴(APD)形成能，探索了反相畴的湮灭机理。结果表明，当温度达到660 K以上时，APD最稳定的传播晶面从{110}转变到{112}。通过分子束外延(MBE)技术，在无偏角Si(001)衬底上生长了1.4 μm厚的GaAs外延层。测试结果表明，随着生长温度的升高，APD密度降低，不同传播面的湮灭现象增加。反相畴在较高的生长温度下更易于扭折到{112}面，从而与其他反相畴相遇并发生湮灭。该结果对全MBE生长高性能无偏角硅基激光器研究具有重要意义。
材料 硅基激光器 第一性原理 分子束外延 反相畴 无偏角Si(001) 中国激光
2022, 49(23): 2301006
北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100876
光通信系统不断提升的传输速率对光电探测器的带宽提出了更高的要求。利用有限元分析软件APSYS对p区倒置型雪崩光电探测器(APD)进行设计与优化。结果表明，双台面p区倒置型 APD可将电场限制在中心区域，避免器件发生边缘击穿，器件的暗电流约为0.1 nA，最大带宽为23 GHz，增益带宽积为276 GHz。在此结构上，对双台面p区倒置型 APD的台面及层结构参数进行优化，得到最大带宽为31.7 GHz，增益带宽积为289.4 GHz的三台面p区倒置型 APD。
光通信 光电探测器 p区倒置型雪崩光电探测器 台面结构 增益带宽积 中国激光
2022, 49(13): 1306002
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
We designed a tunable wavelength-selective quasi-resonant cavity enhanced photodetector (QRCE-PD) based on a high-contrast subwavelength grating (SWG). According to simulation results, its peak quantum efficiency is 93.2%, the 3 dB bandwidth is 33.5 GHz, the spectral linewidth is 0.12 nm, and the wavelength-tuning range is 28 nm (1536–1564 nm). The QRCE-PD contains a tunable Fabry–Perot (F-P) filtering cavity (FPC), a symmetrical SWG deflection reflector (SSWG-DR), and a built-in p-i-n photodiode. The FPC and the SSWG-DR form an equivalent multi-region F-P cavity together by multiple mutual mirroring, which makes the QRCE-PD a multi-region resonant cavity enhanced photodetector. But, QRCE-PD relies on the multiple-pass absorption enhanced effect to achieve high quantum efficiency, rather than the resonant cavity enhanced effect. This new photodetector structure is significant for the application in the dense wavelength division multiplexing systems.
photodetector quasi-resonant cavity subwavelength grating ultra-narrow linewidth Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031301
Author Affiliations
Abstract
State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
Linearity is a very important parameter to measure the performance of avalanche photodiodes (APDs) under high input optical power. In this paper, the influence of the absorption layer on the linearity of APDs is carefully studied by using bandgap engineering with the structure model of separated absorption, grading, charge, multiplication, charge, and transit (SAGCMCT). The simulated results show that in the hybrid absorption layer device structure the 1 dB compression point can be improved from to by increasing the proportion of the -type absorption layer. In the device structure with only one absorption layer, increasing the doping level of the absorption layer can also improve the 1 dB compression point from to 1.43 dBm at a gain of 10. Therefore, the absorption layer is very critical for the linearity of APDs.
linearity avalanche photodiode dynamic range Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022503
