Low optical loss electrical isolation for multi-section monolithic GaSb-based photonic circuits

想象一个光不再仅仅是手电筒发出的光束，而是作为一种微小的、高速的信使，在传递数据或感知周围空气的世界。这就是光子集成电路 (PICs) 的领域。可以将这些芯片想象成光的“主板”。正如计算机主板拥有用于处理器、内存和显卡的不同的房间一样，光芯片也有不同的部分：一个用于产生光（激光器），一个用于传输光（波导），以及一个用于控制或阻挡光（开关或吸收体）。

为了让这些光信使能够履行职责，芯片上的不同区域需要进行电绝缘。想象一下你在一个嘈杂的房间里试图与朋友交谈；如果墙壁很薄，他们的声音会泄露到你的对话中，导致你无法集中注意力。在光芯片中，如果电流从一个部分泄露到另一个部分，就会引发混乱，导致设备发热并破坏信号。挑战在于如何建造一堵既能完全阻挡电流，又能让光线通过而不发生碰撞或丢失的“墙”。这在使用一种名为 GaSb（锑化镓）的特定材料时尤其困难——这种材料非常适合产生在“中红外”范围内传播的光（这是探测气体或检测疾病的理想光谱部分），但在电学性能方面却极其容易“泄漏”。

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这篇论文解决了一个构建 GaSb 光芯片时的特定难题：如何在激光器的两个部分之间建造一堵既能阻止电流泄漏，又不会杀死光束的“墙”。研究人员发现，构建这些芯片的常规方法会导致电气隔离墙过于薄弱，使得电流得以溜走并干扰激光器的性能。为了解决这个问题，他们尝试了一个大胆的想法：挖掘一条深沟来分隔各个部分。

把激光的路径想象成一条高速公路。通常，这条路是一个宽阔且浅层的脊部（就像一个小土丘）。为了阻断电流，团队尝试在芯片中间挖掘一条深邃的条带状沟壑（就像一个深谷）。虽然这个深谷在阻止电流泄漏方面表现出色，但对光线来说却非常糟糕。这就像试图把汽车从平坦的高速公路开进一个又深又陡的深沟；汽车（光）会发生碰撞、损失能量，甚至可能根本无法通过。

该团队的主要发现是一个巧妙的“坡道”或渐变结构 (taper)，它将平滑的高速公路连接到深沟。他们设计的不是突然的跌落，而是一个逐渐过渡的过程，其中宽阔的脊部慢慢变窄并加深进入条带波导。这种绝热渐变结构（adiabatic taper）就像一个平缓、蜿蜒的坡道，引导光线从浅层部分平稳地进入深沟，而不会发生碰撞或散射。

实验结果显示其表现相当出色。他们测试了五个不同版本的激光芯片。在没有任何特殊技巧的“基准”版本中，其电流隔离电阻仅为 121 Ω（欧姆），意味着电流很容易泄露。当他们尝试只挖掘深沟而不使用平滑坡道时，光线散射得如此严重，以至于激光器根本无法开启。然而，他们最好的设计——即带有深沟加平滑渐变的组合——实现了 17.3 kΩ 的隔离电阻。这比之前报道的类似 GaSb 器件高出约 17 倍。

在实验中，这种优化后的器件作为连续波激光器工作得非常完美，产生了约 8 mW 的功率，并且即使在吸收体部分施加 -5 V 的反向电压时也能保持稳定。光线保持为单一、纯净的光束，证明了平滑坡道成功引导了光线穿过深沟。虽然一个具有更深沟壑的版本实现了约 40 kΩ 的更高电阻，但由于光损耗过高，它无法实现受激辐射（lase），这证实了“平滑坡道”设计是必要的平衡点。

论文明确排除了仅仅挖掘深沟就足够论，因为如果没有渐变结构，光学损耗会过于严重，导致器件无法工作。他们还发现，仅仅刻蚀一层浅层的“防泄漏”层本身并不足够，因为 GaSb 中 p 型层的强导电性使得电流可以绕过边缘溜走。通过将深刻蚀与渐变过渡相结合，他们创造了一个能够实现可靠、多段式激光器的基础模块。这一成功表明，为创建更复杂的、能在 2 µm 以上运行的单芯片传感器开辟了一条清晰的路径，从而为更好的环境气体传感器和生物医学工具打开了大门。