引言
光通信领域在很大程度上依赖于光电子集成芯片，这些复杂器件能够在单个芯片上集成多种光学功能。波导是这些线路的核心组件，作为将光从一点传输到另一点并保持最小损耗的结构。理解如何设计和制造低损耗波导对于构建高效光子系统具有重要意义，近年来的技术进展不断推进集成光子技术的性能边界[1]。
光电子集成中的波导损耗难题
在设计基于磷化铟材料的光电子集成芯片时，工程师面临一个关键挑战：如何在保持低光学损耗的同时，将激光器等有源器件与无源波导结合在一起。这个根本问题源于制造工艺本身。这些线路需要n型和p型掺杂半导体层来为器件的不同部分创建电接触。在制造过程中，通常需要在整个芯片上生长一层p掺杂的磷化铟层，生长温度约为640摄氏度，覆盖有源区和无源区。
这个看似必要的步骤会引入一个主要的光学损耗源，称为自由载流子吸收。当光在波导中传播时，会与掺杂半导体层中的自由载流子（电子和空穴）相互作用。p型掺杂剂，特别是锌原子，造成的问题尤为严重，因为相比n型掺杂剂，锌原子引起的吸收损耗大约高出二十倍。高温生长工艺使情况变得更糟，因为锌掺杂剂会从p掺杂层扩散到下层波导结构中，显著增加了光学模式与掺杂区域之间的重叠。对于远离波导材料带边的波长，自由载流子吸收会主导总损耗，达到每厘米十到二十分贝的高值，这严重限制了集成光子线路的性能。
采用优化阻挡层的创新波导设计
实现低损耗波导的关键在于使用优化阻挡层的巧妙设计策略。波导结构从n掺杂磷化铟衬底开始，在衬底上生长多层精心设计的外延层。波导的核心由300纳米厚的块状砷化铟镓磷层组成，带隙对应1.3微米波长，该层夹在薄的砷化铟镓磷层之间。在核心层上方是一个关键创新：450纳米厚的阻挡层，主要由未掺杂的磷化铟构成，专门设计用于在高温再生长过程中防止锌掺杂剂向下扩散。
图1：表面脊形波导在非注入型（a）和质子注入型（b）两种配置下的横截面示意图，说明了分层结构以及光学模式在波导芯层中的位置。
阻挡层充当扩散屏障，保持掺杂浓度的急剧转变。使用二次离子质谱分析显示，在再生长界面处，锌掺杂从每立方厘米5×10¹⁷个原子急剧下降到约每立方厘米10¹⁵个原子。对于脊宽为2.2微米的波导，这种设计取得了显著效果。基模横向电场模式与阻挡层上方p掺杂磷化铟层的重叠仅为0.78%，导致p掺杂剂引起的线性损耗系数仅为每厘米0.078。结合下方n掺杂层的贡献（约每厘米0.065），总的自由载流子吸收损耗估计仅为每厘米0.62分贝，与传统设计相比有了显著改善。
使用法布里-珀罗腔的精密损耗测量
为了准确表征波导性能，研究人员采用了基于法布里-珀罗腔分析的精密测量技术。该方法使用解理波导的直线段作为光学谐振腔，光在两个反射端面之间来回反射。当可调谐激光器扫描不同波长时，透射光显示出特征干涉条纹，当腔长匹配半波长的整数倍时出现峰值。
图2：对一个8毫米长、脊宽6.0微米的非注入型波导测量得到的法布里-珀罗透射条纹，展示了用于提取损耗信息的规律振荡图案。
通过测量不同长度波导的这些条纹峰谷之间的对比度，研究人员可以同时提取端面反射率和传播损耗。实验装置需要仔细注意细节。保偏透镜光纤配备抗反射涂层，用于将光耦合进出波导，同时光功率保持在1毫瓦以下，以避免可能扭曲测量结果的局部加热效应。为确保仅激发基模，在每个端面处，脊宽在100微米长度内渐变到1.6微米，有效滤除高阶模式。
图3：通过绘制条纹对比度参数的对数与波导长度的关系来提取1.6微米宽表面脊形波导的端面反射率，分别给出了非注入型和质子注入型结构的数据。
测量结果令人满意。对于脊宽2.2微米的非注入型波导，提取的损耗为每厘米0.81分贝，标准偏差为每厘米0.21分贝。这个数值与基于自由载流子吸收的理论预测非常接近，证实了阻挡层成功地最小化了来自p掺杂区域的损耗。
图4：对一个8毫米长、2.2微米宽非注入型波导提取的波导损耗随波长的变化（a），以及从581个测量条纹提取的损耗值的统计分布（b），证明了测量技术的一致性和可靠性。
质子注入的意外影响
在研究质子注入效果时出现了一个有趣的发现。质子注入是一种常用于在光子线路不同部分之间提供电隔离的技术。虽然有报道称质子注入可以通过氢化作用中和锌掺杂剂从而降低某些结构的波导损耗，但研究人员发现，质子注入实际上增加了这些优化波导的损耗。这种效应对于窄脊宽度特别明显。
图5：质子注入型和非注入型表面脊形无源波导的波导损耗如何随脊宽度变化，显示出当脊宽度减小时，注入型结构的损耗急剧增加。
这个现象的解释在于离子注入的物理机制。高能质子无法完全穿透2.15微米厚的脊结构，而是在脊两侧的波导平板区域产生缺陷。随着脊宽度减小，光学模式更多地扩展到这些受损的平板区域，导致散射和吸收损耗增加。对于较宽的脊，模式更好地限制在脊下方，减少了与注入区域的重叠，使损耗接近非注入型波导。这一发现表明，虽然阻挡层成功减少了来自锌掺杂剂的自由载流子吸收，但通过质子注入进行氢化的潜在益处被平板区域引入的损伤所抵消，使得质子注入对这些特定波导结构反而有害。
这些采用优化阻挡层设计的低损耗表面脊形波导，为单片光子集成提供了技术支撑，使得能够构建性能改进的复杂光学线路，服务于下一代光网络应用。
参考文献
[1] Bhardwaj, M. Larson, M. Moewe, and Y. Feng, "Low-loss InGaAsP/InP Surface Ridge Waveguides for Photonic Integrated Circuits," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 9, pp. 1041-1044, May 2016.
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