导言
集成在芯片上、可在芯片内引导和操纵光的硅基光电子芯片，作为前景广阔的平台被应用到太空领域。光电芯片小体积、轻量、高效率、大带宽以及功能复杂，这些特性极具吸引力，可用于卫星载荷中的高速光通信和舱内信号处理。然而，高能太空环境中的带电粒子对纳米硅基光电子器件的影响尚不清楚。
在最近的一项研究中，Mao等人首次将商业工艺制作的硅基光电子芯片进行了太空测试，将光电芯片安装在近地轨道的国际空间站上，在轨11个月。实验证明，与损坏硅基光电子芯片性能的地面辐射实验不同，一年长时间的宇宙辐射暴露令人惊讶地扩大了调制器的带宽，同时保持了电光转换效率不变。该研究还识别出沿光波导路径由重离子导致的局部设备性能恶化的特征。本文总结了关键结果和关于评定硅基光电子技术在严苛太空环境中的合格性的见解，基于器件物理学角度进行讨论。
低地球轨道的宇宙辐射环境
太空环境中的辐射主要由来自太阳系外银河系宇宙辐射（GCR）和困陷在内瓦诺辐射带的异常辐射组成。GCR包含高能质子、重离子和电磁辐射，每个粒子的能谱范围从1000万电子伏特至100亿电子伏特，很难被屏蔽。一年太空实验中的总日照射剂量达到14.85拉德，相当于地面1000多年的辐射暴露。这种辐射可以通过位移晶格原子来产生缺陷，降低微电子和光子器件的性能。然而，对纳米光子器件的影响还不清楚。
图1.国际空间站的宇宙辐射暴露（7，8）。（A） 材料国际空间站实验载体外观，光电芯片安装在RAM朝向。（B） MRM（10微米大小）和（C）MZM显微镜图像，组件尺寸小于1厘米。蓝线表示光波导路径。（D）安装在国际空间站的辐射环境监测器记录的详细日照射剂量时间轴。（E）相同MRM在飞行前后传输频谱。（F）MZM的飞行前后频谱。点是测量数据，曲线是理论拟合（图S1）。（F）反向偏置依赖的ER和提取的内在品质因数Qin用于MRM。（G）MRM和（H）MZM的反向偏置依赖的ER和消光系数（Δk）。点是模型拟合实验数据获得。曲线是出于引导目的。灰色表示飞行前，橙色表示飞行后。
在太空中测试硅基光电子器件
为了揭示宇宙辐射的影响，与美国宇航局合作，将几个硅基光电子芯片安装在靠近空间站外壳的材料国际空间站实验设备上，最大限度地暴露在辐射环境中325天。芯片包含微米级硅波导和来自硅器件厂的各种电光调制器，可以进行定量统计分析。
基于硅基光电子技术的电光调制器利用自由载流子等离子体色散效应，使电信号调制激光束，方法是将电子-空穴对注入光模内改变折射率和吸收系数。测试马赫-曾德尔干涉式调制器（MZI）和微盘谐振器调制器（MRM）。将特性与飞行前比较，观察到设备响应不同于地面辐射实验，并从纳米器件物理解释。
图2.干涉式硅基光电子电路中的复折射率差异和改变的光响应。（A）同一硅芯片上40个MZM的光学显微镜图像。（B）辐射暴露后ER变化量（ΔER） 。（C）同一器件飞行前（灰色）后（橙色）的代表性传输频谱。测量环境温度变化少于0.1摄氏度。（D） 从共振漂移（Δλ）提取折射率变化（Δneff），温度变化误差约10-4。（E）同一组MZM飞行前后提取的消光系数（Δk）。（F）一组MRM的ER对不同耦合品质因数Qc的关系，通过改变谐振器与波导间隙获得不同Qc。（G）MRM 飞行前后的传输频谱。
电光转换效率未变但带宽扩大
地面辐射实验中x射线和γ射线照射显示由于总电离剂量效应硅调制器调谐效率受损。相反，空间实验显示，MZI和MRM的电光调谐效率在长时间宇宙辐射下保持不变。这证实了能量大于10兆电子伏特的质子直接穿过220纳米的器件层不发生原子位移或产生带电缺陷。
另一个令人意外的结果是两种调制器的光电带宽明显改善，这得益于少数载流子寿命缩短。这种寿命减少意味着高能质子的确引发了复合中心的形成。此外，未观察到载流速率或串联电阻变化，这意味着几乎没有形成散射中心。这些位于能隙中间的缺陷起因于质子与电子非弹性碰撞打断电子键合，不同于低能质子诱导的核位移。
图3.硅基光电子调制器的电性能和高速光电调制表征。（A） 具有P-N （虚线）和P-I-N结（实线）的硅基光电子调制器典型电容-电压曲线和（B）电流-电压曲线。（C）电容-电阻时间常数（τRC）和（D）载流子寿命（τrec）平均载流子损耗率，分别从（A）和（B）中获得。误差线表示标准差。（E） MZM飞行前（灰色）后（橙色）的测量电光调制响应S21。（F） MRM的S21比较。（G） MZM（圆形）和MRM（三角形）飞行后与前装置3dB光电带宽（G）比较。 （H） 表征MZM高速响应的设置。
离子特征和器件屏蔽展望
除了检查100多个器件性能，少数马赫-曾德尔干涉仪在主动臂长达1厘米处遭受大于10分贝的额外损耗。这种与长度相关的损耗偏差与重离子轨迹高度一致，重离子偶尔击中光波导导致局部非晶化。重离子占银河宇宙射线的10%左右，但可以比质子穿透更深。带小型干涉仪和谐振器的硅基光电子器件对重离子具有抵抗性。采用最小屏蔽，它们可以承受10年以上的宇宙辐射，为未来轻量化航空电子提供光电融合的集成途径。
图4. MRR和MRM中的光热非线性表征的减小的自由载流子寿命（τrec）。（A）飞行前（顶部）后（底部）样品的非线性传输频谱。两个选定的MRR具有相同的总品质因数（Qt）。点：实验数据。曲线：耦合模理论拟合。（B）相对冷腔输入功率依赖的谐振波长漂移特征的非线性响应减弱。灰色点飞行前。橙点飞行后。具P-N结的飞行前后MRR反向偏置的光热非线性谐振偏移（MRM）。两Qt为22，000。飞行前移位更大。（C）高能质子（每个粒子大于10兆电子伏特）在空间引发电离键合电子从而中间能隙缺陷和（D）低能质子位移原子，生成载流子散射中心减小载流速率。
结论
太空实验揭示高能带电粒子不同寻常的基础辐射效应。由于质子直接穿过顶部器件层不发生原子位移，硅基光电子调制器表现出长达一年宇宙辐射的惊人抵抗力。与电子非弹性散射扩大调制器带宽，但保持电光转换效率不变。采用审慎屏蔽和系统设计，硅基光电子技术可用于高速太空光通信、信号处理和航空电子技术集成在严苛环境中的应用。
参考文献
[1] Dun Mao et al., Space-qualifying silicon photonic modulators and circuits. Sci. Adv.10, eadi9171（2024）. DOI:10.1126/sciadv.adi9171
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