电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）电子工程系董俊教授应邀在光学领域顶级期刊《自然•光电子学》 （Nature Photonics）发表题为《双注入谐振腔》（“Double injection resonator”）的评述文章（https://www.nature.com/articles/s41566-018-0286-1）。文中，董俊教授回顾了硅基光电子学在集成微波光电子学和大规模集成光学子学领域的重要性，评述了硅基光电子学研究的最新进展和存在问题，并对该方向今后发展进行了展望。
集成微波光电子学利用光电子集成技术实现多功能和高性能的单片集成微波光电子系统，在手机、无线和星际通信、以及电视、分布式天线系统、光学信号处理和医学成像等领域凸显出巨大的应用潜力。基于光电子集成电路的器件拥有可编程能力，可以实现时间微分、延时和频率识别等多信号处理功能，具有结构紧凑、价格便宜的优势。硅光电子因具有和CMOS技术的兼容性及可与电子学无缝集成的优势，成为微波光电子系统集成的一个研究热点。高质量SOI平面波导电路为光电子器件的小型化和大规模集成提供了可能，再加上硅单晶优异的三阶光学非线性效应、易于加工等优势使硅光电子器件易于实现诸如放大、调制、激射和频率转换等功能。因此，基于硅光电子集成器件极大降低了工作面积、元件间耦合损耗和封装价格，非常适合大规模集成电路的制备。频率或电信号响应是硅基集成光电子器件实现多功能和可编程电路的重要参数。虽然采用多光学元件的方式可实现不同响应信号波形的输出，但复杂的设计增加了光学元件之间的相互作用，引入了附加损耗，不利于光电子集成系统的大规模集成化。且大的自用光谱宽度是消除光电子集成电路不同信道间干扰的主要因素。而自由光谱宽度（FSR）与光学谐振腔的腔长成反比，通过缩短腔长获得大的FSR也导致传输损耗的增加，使得工作电压提升。利用光子晶体或复杂环形腔尽管可以增加FSR，也使得器件的设计加工复杂困难，且不适合与电路系统集成。这些系统对损耗非常敏感，使得批量生产受到限制。因此，非常有必要研制新型的方便实用、可编程的硅光电子集成电路。
董俊教授重点评论了以色列特拉维夫大学电气工程学院的Cohen等人发表在《自然•光电子学》杂志上最新工作（https://www.nature.com/articles/s41566-018-0275-4）。他们提出了一种新型的基于硅光电子学的双注入谐振腔理念。通过在SOI衬底上设计一种新型的双注入谐振腔，在一个谐振腔中实现两种不同FSR信号输出，其中一个FSR是传统环形腔FSR的两倍。且通过调节耦合系数获得了周期性、三角形和矩形等多种样式丰富的输出信号响应波形。从而为大规模集成电路的设计提供了一种新型、方便、实用、可编程的高度集成硅光电子器件。
该工作研究人员所设计的双注入环形谐振腔是通过在一个谐振腔中预先设置的位置处注入两束同一波长的相干光信号实现的。双注入谐振腔所采用的SOI衬底是在2微米厚的氧化硅上的一层厚度为220-nm的微量掺杂硼的硅，双注入谐振腔是通过电子束蚀刻技术所形成尺寸为450 nm ´ 220 nm的波导，最后切割成1 ´ 1 cm2的芯片。且在谐振腔的端面设置了渐变的波导方便和外部的光纤相连接。利用方向性耦合器来分光形成两束不同幅值和相位的光束，而利用一个传统的Y型耦合器对入射光进行平均分束。通过合理选择耦合系数和入射分光系数，在主动型的双注入谐振腔中实现形式丰富的传输信号响应，如三角形、矩形、正弦、峡谷（2 ´ FSR）、峰值（2 ´ FSR）和类正切性尖峰等。这些在实验中得到的信号响应波形在各种射频模拟和数字传输器和接受器中具有非常广阔的应用潜力。且双注入谐振腔所特有的两个FSR运行特性可以用于实现更宽的运行带宽和低能耗运行。特别有意义的是在研制出的参数不敏感响应器件（PIR20）由于具有对制备缺陷、温度以及光电效应的不敏感性，从而可以获得在消光比为20 dB的情况下比传统环形腔更高的容错度，非常适合大规模集成生产和器件的稳定运行。
董俊教授也指出了该硅基光电子双注入谐振腔器件可能存在的不足之处。首先，尽管该双注入谐振腔器件实现了不同信号响应波形的输出，然而器件的性能还需进一步提升；其次，在大规模集成光学系统的应用中需要更多的基于双注入谐振腔的光学元器件来实现器件工程的多样化，因此，在单芯片中如何排列多个双注入谐振腔来克服相邻元件间的影响还有待实验的进一步验证。最后，针对不同的应用需求，还需要系统考虑增益、损耗以及功率所引起的非线性效应对硅基双注入谐振腔器件的影响。这些都有待于今后实验和理论研究进一步加以改善。
该文作者董俊，教授、博导，电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院）副院长，研究方向为固体激光技术、光学材料、激光模式特性研究、光学旋涡。
图：张晴
文：张晴
