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材料重点实验室光子集成技术研究组提出了一种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。