硅基光学相控阵(OPA)激光雷达具有集成度高，扫描速度快，成本低等优势，是固态激光雷达的重要发展方向，近几年不断获得突破性进展。但是，硅基OPA发射芯片的光损耗一直是个问题，尤其是硅波导在高激光输入功率时，非线性吸收较强，如双光子吸收，自由载流子吸收等。

    为了降低硅基OPA高输入功率工作时非线性效应带来的光损耗，中国科学院半导体研究所提出了一种SiN-Si双层材料OPA激光雷达发射芯片。SiN层以150 nm的二氧化硅间隔位于SOI衬底上方，硅器件和SiN器件位于这两层，不会互相干扰。该芯片输入耦合器和级联分束器采用SiN材料，后端的相位调制器和光学天线采用硅材料，双层波导通过一种耦合结构来实现光学连通。SiN-Si双层材料OPA芯片具有低损耗特性，前端器件由SiN制成，可输入瓦级光功率，适于远距离工作。实验表明，对于常规Si OPA芯片，输入光功率超过17 dBm时，双光子吸收损耗明显增大，而SiN-Si OPA芯片无此问题，双层耦合损耗小于0.2 dB。同时，在SiN-Si OPA芯片中，团队采用了一种整体光栅光学天线，实现了96°×14°的二维扫描，其横向扫描范围为目前所报道的最优实验结果。

　　图1 SiN-Si双层OPA芯片显微镜照片

　　图2（a）端面耦合器；（b）光栅耦合器；（c）级联的MMI；（d）SiN-Si双层耦合结构；（e）热光调相器；（f）光学天线

　　图3 SiN-Si OPA芯片、Si OPA芯片输出功率与输入功率的关系

　　图4 SiN-Si OPA芯片二维扫描实验结果，(a)横向扫描范围；（b）纵向扫描范围

    相关研究成果发表在Photonics Research期刊上(Vol. 8, Issue 6, pp. 912-919 (2020))。博士研究生王鹏飞为第一作者，潘教青研究员为通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金委重点项目、北京市科委项目和企业项目的共同资助。

　　文章链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.387376