[發明專利]一種高效率寬譜輸出的單芯片多波長硅基激光器

在審

• 申請號: 201510859291.4
• 申請日: 2015-11-30
• 公開（公告）號: CN105305231A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 劉磊;肖希;王磊;邱英;楊奇;余金中;余少華
• 申請（專利權）人: 武漢郵電科學研究院
• 主分類號: H01S5/40
• 分類號: H01S5/40;H01S5/024;H01S5/06
• 代理公司: 北京捷誠信通專利事務所(普通合伙) 11221
• 代理人: 王衛東

技術領域

本發明涉及半導體光電子器件技術領域，具體涉及一種高效率寬譜輸出的單芯片多波長硅基激光器。

背景技術

在傳統電互連系統中，隨著芯片特征尺寸的減小，芯片間的信息傳輸速度受限于RC(resistance-capacitance,阻容)效應，系統也面臨帶寬受限和功耗增加的難題，這已經逐漸成為提升計算機系統性能的瓶頸。

為此，人們提出了光互連的解決辦法，在光互連技術中比較有前景的為硅基光互連技術。與InP(IndiumPhosphide,磷化銦)基光互連相比，硅基光互聯的材料成本較低，而且能夠與CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導體)工藝兼容。但是，由于硅材料無法直接發光，因此集成光源的制備是硅基光互聯技術目前面臨的主要難題之一；尤其在通信應用中，為提高通信容量人們常采用多路復用技術，因此多波長輸出的硅基激光器成為高速率寬帶數據傳輸的核心器件。

目前集成多波長硅基激光器一般采用III-V/Si鍵合激光器和III-V/Si倒裝焊激光器。但是，上述兩種激光器分別存在以下優缺點：

(1)硅基鍵合激光器的優點在于III-V族芯片與硅基芯片對準工藝難度較低，激光器的制作多采用晶圓級對準。但它也有明顯的缺點，由于III-V族晶圓有源區的增益譜覆蓋的波長有一定的范圍，因此多波長鍵合激光器的輸出通道數目受到限制，進而使帶寬也受到限制。

(2)與硅基鍵合激光器相比，硅基倒裝焊激光器的優點在于它采用芯片級對準，很容易將多個不同有源層結構的III-V族光源芯片集成到同一個硅芯片上，并與多個硅波導直接耦合，從而產生硅基多波長激光輸出，激光器波長覆蓋范圍不受單個III-V族芯片增益譜覆蓋范圍的限制。另外，硅基倒裝焊激光器能夠對III-V族有源芯片的性能進行仔細的挑選和優化，因此輸出激光的綜合性能較高。但是，目前硅基倒裝焊激光器的缺點是：III-V族光源芯片和硅基芯片內部模場不匹配，因此III-V族光源芯片和硅芯片之間光耦合損耗過大。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明解決的技術問題為：提供一種高效率寬譜輸出的單芯片多波長硅基激光器。本發明將多個輸出中心波長不同的光源芯片集成于一體，光源芯片輸出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑變換器中，并經過諧振器形成腔振蕩，最終在硅波導中輸出高效率和寬譜范圍的激光。

為達到以上目的，本發明提供的高效率寬譜輸出的單芯片多波長硅基激光器，包括硅襯底層，硅襯底層上表面分為絕緣區和光源區，光源區上刻蝕大于100nm的厚度形成光源面，光源面上設置有M個輸出中心波長不同的III-V族大模斑半導體多通道陣列光源芯片，M≥2；所述絕緣區的上面覆有絕緣層，絕緣層的上面覆有頂層硅；

每個所述光源芯片均包括從下至上依次覆蓋的N型電極層、N型襯底層、N型限制層、N型波導層、有源層、P型限制層和P型蓋層；P型限制層和P型蓋層整體刻蝕形成Q個凸起的波導結構和Q+1個凸起的臺面結構，Q≥1，單個波導結構由凸起的脊型波導結構和凸起的輸出波導結構對接而成，每個波導結構的兩側各有1個凸起的臺面結構；

所述波導結構與鄰近的臺面結構之間、以及所有臺面結構上面均覆有電絕緣層；所有波導結構和電絕緣層上面均覆有P型電極層；所述光源芯片整體倒置于硅襯底層的光源面上；

所述頂層硅包括M·Q個模斑變換器和M·Q個諧振器，每個模斑變換器均位于頂層硅鄰近光源芯片的側部，模斑變換器與光源芯片中的輸出波導結構一一對應；每個模斑變換器的輸入端與對應的輸出波導結構在水平方向和垂直方向上對準，每個模斑變換器的輸出端通過硅波導與1個諧振器的輸入端相連，諧振器的輸出端設置有硅波導；每個模斑變換器上面均覆有低折射率層。

在上述技術方案的基礎上，所述N型波導層的厚度大于等于λ，λ為硅基激光器在真空中的激射波長。

在上述技術方案的基礎上，所述有源層的結構為量子阱、量子線或量子點，有源層的增益譜峰值波長范圍覆蓋近紫外到紅外波段；不同的光源芯片采用不同的有源層，相鄰光源芯片的增益譜峰值波長的間隔小于增益譜寬度的一半。

在上述技術方案的基礎上，所述脊型波導結構的寬度滿足光源芯片輸出單橫模的條件。

在上述技術方案的基礎上，所述輸出波導結構為直波導、傾斜波導或彎折波導。