硅光器件在外太空环境下的表现

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。

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。

（图片来自文献1）

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。

（图片来自文献1）

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。

（图片来自文献1）

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。

（图片来自文献1）

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。

（图片来自文献1）

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。

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