硅衬底氮化镓基同质集成可见光通信芯片

该项目在科技部973计划前期预研项目、国家自然科学优秀青年基金、国家自然科学青年基金等6项国家和省部级课题的资助下，面向可见光通信，围绕硅衬底氮化镓基同质集成可见光通信芯片这一主题，从器件设计、微纳加工到系统集成，开展了深入而系统的研究，主要贡献如下：

1. 面向可见光通信，揭示薄膜量子阱二极管器件的高出光效率、高响应速度的机理，研发悬空薄膜量子阱二极管器件，实现可见光通信小型化发射端。基于硅衬底氮化物晶片，研发了硅衬底剥离和悬空氮化物薄膜背后减薄技术，消除硅衬底吸收，减少厚膜的光损耗，降低阻抗和结电容，提升了悬空薄膜量子阱二极管光源性能。在量子阱二极管阵列和光电探测器阵列的表面制备纳米光子器件结构，调节器件界面态，提升出光效率和感光效率，实现可见光通信小型化收发端的芯片集成。

2. 揭示激发光在悬空薄膜波导器件的传输机制，实现光源和波导的集成，为研发光源、波导和光电探测器同质集成的可见光通信芯片奠定基础。通过硅衬底剥离和悬空薄膜减薄技术，实现悬空氮化镓波导结构，调控激发光的内部传输，并用纳米光子器件实现激发光的耦合。即实现了平面波导集成器件，获得光源、光波导和光电探测器的可见光波段通信芯片的同质集成，又可以集成纳米光子器件结构，提高出光效率和光谱选择特性。并自主开发角分辨微纳光谱、可见光通信和高分辨多光谱成像等信息系统，基于傅立叶光学，利用共焦去噪，集成微机电控制单元，自主搭建角分辨微纳光谱系统。利用该系统揭示可见光通信芯片光载信息的物理内涵，发掘光谱通信和成像的关联机制。

3. 阐明可见光波段谐振光子器件的工作机理，实现面向光传感、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件。设计并制备了面向光传感、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件。薄膜谐振光子器件对于器件结构、介质折射率灵敏度高，可作为可调光子、光传感器件。研发了偏振调控、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件，并与氮化镓基量子阱二极管器件集成，提升了出光效率，调控了出射光谱，提高了可见光通信系统的频谱利用率。

4. 发现量子阱二极管发光探测共存现象，阐明其物理机制。量子阱二极管的发射谱和探测谱存在重叠，量子阱二极管器件发光同时，产生的高能光子亦被吸收，并激发出电子空穴对。量子阱二极管器件同时存在电光、光电能量及信息转换。首次发现量子阱二极管的光发射和探测共存现象，即量子阱二极管器件在光发射同时也能进行光探测。

具有相同量子阱结构的量子阱二极管器件可以采用相同的工艺流程制备在同一块芯片上，通过波导互联，实现同质集成光电子芯片，为研发多功能同质集成光电子芯片打下坚实的基础。该芯片采用可见光而不是电子进行信息的传输，将通信频谱资源拓展到可见光领域，提升通信系统的信息传输速度。

该项目在科技部973计划前期预研项目、国家自然科学优秀青年基金、国家自然科学青年基金等6项国家和省部级课题的资助下，面向可见光通信，围绕硅衬底氮化镓基同质集成可见光通信芯片这一主题，从器件设计、微纳加工到系统集成，开展了深入而系统的研究，主要贡献如下： 1、面向可见光通信，揭示薄膜量子阱二极管器件的高出光效率、高响应速度的机理，研发悬空薄膜量子阱二极管器件，实现可见光通信小型化发射端，基于硅衬底氮化物晶片，研发了硅衬底剥离和悬空氮化物薄膜背后减薄技术，消除硅衬底吸收，减少厚膜的光损耗，降低阻抗和结电容，提升了悬空薄膜量子阱二极管光源性能。在量子阱二极管阵列和光电探测器阵列的表面制备纳米光子器件结构，调节器件界面态，提升出光效率和感光效率，实现可见光通信小型化收发端的芯片集成。 2、揭示激发光在悬空薄膜波导器件的传输机制，实现光源和波导的集成，为研发光源、波导和光电探测器同质集成的可见光通信芯片奠定基础，通过硅衬底剥离和悬空薄膜减薄技术，实现悬空氮化镓波导结构，调控激发光的内部传输，并用纳米光子器件实现激发光的耦合。即实现了平面波导集成器件，获得光源、光波导和光电探测器的可见光波段通信芯片的同质集成，又可以集成纳米光子器件结构，提高出光效率和光谱选择特性。并自主开发角分辨微纳光谱、可见光通信和高分辨多光谱成像等信息系统，基于傅立叶光学，利用共焦去噪，集成微机电控制单元，自主搭建角分辨微纳光谱系统。利用该系统揭示可见光通信芯片光载信息的物理内涵，发掘光谱通信和成像的关联机制。 3、阐明可见光波段谐振光子器件的工作机理，实现面向光传感、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件，设计并制备了面向光传感、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件。薄膜谐振光子器件对于器件结构、介质折射率灵敏度高，可作为可调光子、光传感器件。研发了偏振调控、多通道光谱调控的悬空薄膜谐振光子集成器件，并与氮化镓基量子阱二极管器件集成，提升了出光效率，调控了出射光谱，提高了可见光通信系统的频谱利用率。 4、发现量子阱二极管发光探测共存现象，阐明其物理机制，量子阱二极管的发射谱和探测谱存在重叠，量子阱二极管器件发光同时，产生的高能光子亦被吸收，并激发出电子空穴对。量子阱二极管器件同时存在电光、光电能量及信息转换。首次发现量子阱二极管的光发射和探测共存现象，即量子阱二极管器件在光发射同时也能进行光探测。 具有相同量子阱结构的量子阱二极管器件可以采用相同的工艺流程制备在同一块芯片上，通过波导互联，实现同质集成光电子芯片，为研发多功能同质集成光电子芯片打下坚实的基础。该芯片采用可见光而不是电子进行信息的传输，将通信频谱资源拓展到可见光领域，提升通信系统的信息传输速度。