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硅光器件在外太空环境下的表现

2024-01-15 光学小豆芽 阅读:
硅光芯片暴露在外太空的辐射下。高能辐照后,无源波导的传输损耗未发生变化,而掺杂波导的传输损耗增加了近20dB/cm。由于辐射粒子能量大,未在Si材料中形成散射中心,载流子的迁移率没有改变,电容和串联电阻未发生改变,调制器的调制效率未发生改变···

硅光芯片有望于应用于航天系统中的数据通信,但是外太空中的环境与数据中心的环境差异巨大,充斥着电磁辐射与高能粒子,光器件的性能是否会受影响?美国Delaware大学研究组联合II-VI公司、NASA等多家机构,经过一系列系统的对比试验,给出了初步的测试结果,其结果发表在2024年最新一期的Science Advances上,文章标题为“Space-qualifying silicon photonic modulators and circuits”。小豆芽这篇笔记对相关实验结果做一个介绍,供大家参考。8nOednc

研究人员选取了AIM Photonics和IME这两家流片厂的硅光芯片,主要包括一颗包含微环谐振器的无源芯片(AIM Photonics)、两颗包含MZM(Mach-Zehnder modulator)和微环调制器MRM (micro-ring modulator)的有源芯片(IME)。为了保护光芯片免遭一些微小陨石的撞击,芯片包裹在一层铝箔纸内。样品被放置在国际空间站外侧的MISSE-FF平台上,如下图所示,其接受来自太空环境的辐射,暴露时间接近11个月8nOednc

(图片来自文献1)8nOednc

对于MRM和MZM这两种类型的调制器,其辐射前后的对比测试结果如下图所示。MRM光谱的共振波长未发生明显改变,但ER从24dB下降到14dB,Q值从36000减小到25000。MZM的光谱波峰波谷在辐照前后也没有发生明显改变,但ER从26dB下降到17.5dB。8nOednc

图片来自文献1)8nOednc

调制器ER的改变,说明掺杂光波导在辐照前后的传输损耗发生改变。研究人员通过MZM光谱中波长和ER的变化信息,提取出折射率实部与虚部的改变量,如下图所示。可以看出折射率实部变化量比较小,而虚部变化约为1e-3,对应传输损耗20dB/cm的改变。这对链路损耗的影响较大。而无源光波导的传输损耗在辐照前后未发生改变。8nOednc

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(图片来自文献1)8nOednc

研究人员进一步表征了调制器电学性质在辐照前后的对比,如下图所示。调制器的电容和串联电阻在辐照前后未发生明显的变化,说明载流子迁移率辐照前后未发生变化。但IV曲线发生改变,对应于载流子寿命发生改变。MZM和MRM的3dB带宽在辐照后变大,这也是载流子寿命变小导致的。8nOednc

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(图片来自文献1)8nOednc

由于部分结果与地面辐照的实验结果不太一致,研究人员给出了定性的微观解释,如下图所示。外太空环境下,辐射的质子能量较大,大于10MeV, 会将硅原子中的共价键打断,形成悬空键(dangling bonds),而质子本身作为带隙中的缺陷态,导致载流子寿命降低。而对于地面试验,辐照的质子能量相对较小,其导致Si原子发生位移,离开原来的位置,形成散射中心,从而导致载流子的迁移率变小。8nOednc

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(图片来自文献1)8nOednc

简单总结一下,研究人员将硅光芯片暴露在外太空的辐射下。高能辐照后,无源波导的传输损耗未发生变化,而掺杂波导的传输损耗增加了近20dB/cm。由于辐射粒子能量大,未在Si材料中形成散射中心,载流子的迁移率没有改变,电容和串联电阻未发生改变,调制器的调制效率未发生改变。由于高能粒子的作用,在硅波导中形成了悬挂键,导致载流子寿命变小,进而EO带宽增加。该研究中没有涉及Ge探测器辐照前后性能的对比。该进展中主要集中于硅光器件在辐照前后的性能对比,没有硅光链路级的性能对比。但是传输损耗20dB/cm的变化,对link budget的影响很大,也会导致调制器的ER发生变化。这些都对硅光系统在外太空的工作带来了很大挑战。但是,这毕竟迈出了第一步,硅光芯片开始走向星辰大海。8nOednc


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参考文献:8nOednc
1. D. Mao, et.al.,
"Space-qualifying silicon photonic modulators and circuits", Science Advances 10, 9171(2024)8nOednc

责编:Ricardo
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