CN105305231A - 一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器 - Google Patents

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刘磊
肖希
王磊
邱英
杨奇
余金中
余少华
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Abstract

本发明公开了一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，涉及半导体光电子器件技术领域。本发明的硅衬底层上分为绝缘区和光源区，绝缘区上设置有模斑变换器和谐振器，光源区设置有2个以上的光源芯片。本发明能够将多个输出中心波长不同的光源芯片集成于一体，光源芯片输出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑变换器中，并经过谐振器形成腔振荡，最终在硅波导中输出高效率和宽谱范围的激光。本发明能够直接从硅波导中高效输出宽谱多波长激光，不仅结构紧凑、工艺简单、功率效率和稳定性均较高，而且可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

Description

一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。
背景技术
在传统电互连系统中，随着芯片特征尺寸的减小，芯片间的信息传输速度受限于RC(resistance-capacitance,阻容)效应，系统也面临带宽受限和功耗增加的难题，这已经逐渐成为提升计算机系统性能的瓶颈。
为此，人们提出了光互连的解决办法，在光互连技术中比较有前景的为硅基光互连技术。与InP(IndiumPhosphide,磷化铟)基光互连相比，硅基光互联的材料成本较低，而且能够与CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容。但是，由于硅材料无法直接发光，因此集成光源的制备是硅基光互联技术目前面临的主要难题之一；尤其在通信应用中，为提高通信容量人们常采用多路复用技术，因此多波长输出的硅基激光器成为高速率宽带数据传输的核心器件。
目前集成多波长硅基激光器一般采用III-V/Si键合激光器和III-V/Si倒装焊激光器。但是，上述两种激光器分别存在以下优缺点：
(1)硅基键合激光器的优点在于III-V族芯片与硅基芯片对准工艺难度较低，激光器的制作多采用晶圆级对准。但它也有明显的缺点，由于III-V族晶圆有源区的增益谱覆盖的波长有一定的范围，因此多波长键合激光器的输出通道数目受到限制，进而使带宽也受到限制。
(2)与硅基键合激光器相比，硅基倒装焊激光器的优点在于它采用芯片级对准，很容易将多个不同有源层结构的III-V族光源芯片集成到同一个硅芯片上，并与多个硅波导直接耦合，从而产生硅基多波长激光输出，激光器波长覆盖范围不受单个III-V族芯片增益谱覆盖范围的限制。另外，硅基倒装焊激光器能够对III-V族有源芯片的性能进行仔细的挑选和优化，因此输出激光的综合性能较高。但是，目前硅基倒装焊激光器的缺点是：III-V族光源芯片和硅基芯片内部模场不匹配，因此III-V族光源芯片和硅芯片之间光耦合损耗过大。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：提供一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。本发明将多个输出中心波长不同的光源芯片集成于一体，光源芯片输出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑变换器中，并经过谐振器形成腔振荡，最终在硅波导中输出高效率和宽谱范围的激光。
为达到以上目的，本发明提供的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，包括硅衬底层，硅衬底层上表面分为绝缘区和光源区，光源区上刻蚀大于100nm的厚度形成光源面，光源面上设置有M个输出中心波长不同的III-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片，M≥2；所述绝缘区的上面覆有绝缘层，绝缘层的上面覆有顶层硅；
每个所述光源芯片均包括从下至上依次覆盖的N型电极层、N型衬底层、N型限制层、N型波导层、有源层、P型限制层和P型盖层；P型限制层和P型盖层整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构，Q≥1，单个波导结构由凸起的脊型波导结构和凸起的输出波导结构对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构；
所述波导结构与邻近的台面结构之间、以及所有台面结构上面均覆有电绝缘层；所有波导结构和电绝缘层上面均覆有P型电极层；所述光源芯片整体倒置于硅衬底层的光源面上；
所述顶层硅包括M·Q个模斑变换器和M·Q个谐振器，每个模斑变换器均位于顶层硅邻近光源芯片的侧部，模斑变换器与光源芯片中的输出波导结构一一对应；每个模斑变换器的输入端与对应的输出波导结构在水平方向和垂直方向上对准，每个模斑变换器的输出端通过硅波导与1个谐振器的输入端相连，谐振器的输出端设置有硅波导；每个模斑变换器上面均覆有低折射率层。
在上述技术方案的基础上，所述N型波导层的厚度大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。
在上述技术方案的基础上，所述有源层的结构为量子阱、量子线或量子点，有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片采用不同的有源层，相邻光源芯片的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。
在上述技术方案的基础上，所述脊型波导结构的宽度满足光源芯片输出单横模的条件。
在上述技术方案的基础上，所述输出波导结构为直波导、倾斜波导或弯折波导。
在上述技术方案的基础上，所述电绝缘层的材料选用SiO2、Si3N4或Al2O3。
在上述技术方案的基础上，所述模斑变换器采用反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。
在上述技术方案的基础上，所述谐振器采用选频结构。
在上述技术方案的基础上，不同的谐振器选择不同的中心波长、并从硅波导中输出；同一个光源芯片对应的多个谐振器选择的波长覆盖该光源芯片的有源层的增益谱波长范围。
在上述技术方案的基础上，所述低折射率层的折射率位于空气折射率和硅材料折射率之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明将多个输出中心波长不同的光源芯片集成于一体，光源芯片输出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑变换器中，并经过谐振器形成腔振荡，最终在硅波导中输出高效率和宽谱范围的激光。
(2)本发明的激光器采用多个III-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片，每个光源芯片的输出波长范围覆盖该芯片增益谱，多个光源芯片的组合显著增加了多波长激光器的输出通道数目和波长覆盖范围，提升了数据通信系统的带宽和速率。
(3)本发明中每个模斑变换器的输入端与对应的光源芯片的输出波导在水平方向和垂直方向上对准，每个输出波导输出为大尺寸高斯分布的模斑，与模斑变换器输入端的模斑尺寸和模场分布非常匹配，因而降低了有源芯片和硅基芯片之间的耦合损耗，提高了硅基激光器的输出功率和效率。
(4)本发明的谐振器位于绝缘层上，与有源芯片分离，不仅能够避免谐振器制作工艺对有源芯片发光性能的影响，还能够避免有源芯片上热耗散造成温度上升和非均匀分布对谐振单元折射率的扰动，使得激光器的光谱性能更加稳定，容易实现窄线宽和低噪声。
终上所述，本发明能够直接从硅波导中高效输出宽谱多波长激光，不仅结构紧凑、工艺简单、功率效率和稳定性均较高，而且可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器的侧视图；
图2为本发明实施例中光源芯片的输出截面图；
图3为本发明实施例中高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器的俯视图；图1、图2和图3中的x-y-z构成三维空间的正交坐标系；
图4为实施例1中光源芯片输出的近场图；
图5为实施例1中某个光源芯片的增益谱分布图；
图6为实施例1中光源芯片与模斑变换器的耦合效率随激射波长变化的走势图。
图中：1-硅衬底层，2-绝缘层，3-光源芯片，4-顶层硅，5-折射率层，301-N型电极层，302-N型衬底层，303-N型限制层，304-N型波导层，305-有源层，306-P型限制层，307-脊型波导结构，308-输出波导结构，309-台面结构，310-P型盖层，311-电绝缘层，312-P型电极层，401-模斑变换器，402-谐振器，403-硅波导。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例中的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，包括硅衬底层1，其上表面分为绝缘区和光源区，光源区上刻蚀大于100nm的厚度形成光源面。光源面上设置有M个输出中心波长不同的III-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片3(以下简称光源芯片3)，M≥2；本实施例中所有的光源芯片3分别标记为3-1、...、3-M。绝缘区的上面覆有绝缘层2，绝缘层2的上面覆有顶层硅4，顶层硅4上邻近光源芯片3的侧部设置有M个低折射率层5，低折射率层5与光源芯片3一一对应。
参见图2所示，每个光源芯片3均包括从下至上依次覆盖的N型电极层301、N型衬底层302、N型限制层303、N型波导层304、有源层305、P型限制层306和P型盖层310。
参见图3所示，将P型限制层306和P型盖层310整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构309，Q≥1。单个波导结构由凸起的脊型波导结构307和凸起的输出波导结构308对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构309。
参见图2和图3所示，波导结构与邻近的台面结构309之间、以及所有台面结构309上面均覆有电绝缘层311。所有波导结构和电绝缘层311上面均覆有P型电极层312。参见图1所示，光源芯片3整体倒置于硅衬底层1的光源面上。
参见图3所示，顶层硅4包括M·Q个模斑变换器401和M·Q个谐振器402，每个模斑变换器401均位于顶层硅4邻近光源芯片3的侧部，模斑变换器401与光源芯片3中的输出波导结构308一一对应，每个模斑变换器401的输入端与对应的输出波导结构308在水平方向和垂直方向上对准。每个模斑变换器401的输出端通过硅波导403与1个谐振器402的输入端相连，谐振器402的输出端设置有硅波导403。参见图1和图3所示，每个模斑变换器401上面均覆有低折射率层5。
本发明中光源芯片3的N型波导层304的厚度可以大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。有源层305的结构可以为量子阱、量子线或量子点，有源层305的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片3可采用不同的有源层305，相邻光源芯片3的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。脊型波导结构307的宽度需要满足光源芯片3输出单横模的条件。输出波导结构308可以为直波导、倾斜波导或弯折波导等。电绝缘层311的材料可以为SiO2、Si3N4或Al2O3。
顶层硅4的模斑变换器401可以采用反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列等。谐振器402可以采用选频结构，例如微环、光栅等。不同的谐振器402可选择不同的中心波长，并从硅波导403中输出；同一个光源芯片3对应的多个谐振器402选择的波长覆盖该光源芯片3的有源层305的增益谱波长范围。低折射率层5的折射率可以位于空气折射率和硅材料折射率之间。
下面通过1个实施例具体说明本发明的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。
设计上述结构的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其中模斑变换器401上覆盖的低折射率层5为SiO2，宽度和厚度均为6μm。光源芯片3外延结构采用InGaAsP/InP材料系，每个光源芯片3包含两个输出通道。参见图4所示，单通道输出的近场在水平和垂直方向均为类高斯分布，1/e2宽度分别为4.07μm和4.88μm，光斑形状接近圆斑。
参见图5所示，该III-V族光源芯片3在激射阈值附近的增益谱分布，可以看到中心波长在1.53μm附近。虽然增益谱覆盖的波长范围超过100nm，但是为了保证同一个芯片上不同通道输出光功率的均一性，不同波长对应的增益差应该尽可能的小。实际应用中，一个III-V族光源芯片3输出光的波长可调范围通常小于50nm，这限制了单个III-V族光源芯片3中输出通道的数目。
有鉴于此，本实施例中的硅基激光器采用多个增益谱在频域上相互错开的光源芯片3，多个光源芯片3的组合使得激光器输出激光的光谱范围成倍地增加，弥补了单芯片增益谱范围受限的缺陷。参见图6所示，随着输出通道的激射波长的增加，III-V族脊波导与硅基模斑变换器401之间的耦合效率有所降低，但是变化幅度很小，耦合效率一直保持大于81％。激射波长从1450nm变化到1650nm(覆盖光通信波段中的S、C、L波段)，耦合效率仅变化了1.6％，这表明大模斑输出的III-V族光源芯片3与硅波导403的耦合对波长不敏感，从而能够保证不同通道之间输出激光性能的均一性。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，包括硅衬底层(1)，其特征在于：硅衬底层(1)上表面分为绝缘区和光源区，光源区上刻蚀大于100nm的厚度形成光源面，光源面上设置有M个输出中心波长不同的III-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片(3)，M≥2；所述绝缘区的上面覆有绝缘层(2)，绝缘层(2)的上面覆有顶层硅(4)；
每个所述光源芯片(3)均包括从下至上依次覆盖的N型电极层(301)、N型衬底层(302)、N型限制层(303)、N型波导层(304)、有源层(305)、P型限制层(306)和P型盖层(310)；P型限制层(306)和P型盖层(310)整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构(309)，Q≥1，单个波导结构由凸起的脊型波导结构(307)和凸起的输出波导结构(308)对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构(309)；
所述波导结构与邻近的台面结构(309)之间、以及所有台面结构(309)上面均覆有电绝缘层(311)；所有波导结构和电绝缘层(311)上面均覆有P型电极层(312)；所述光源芯片(3)整体倒置于硅衬底层(1)的光源面上；
所述顶层硅(4)包括M·Q个模斑变换器(401)和M·Q个谐振器(402)，每个模斑变换器(401)均位于顶层硅(4)邻近光源芯片(3)的侧部，模斑变换器(401)与光源芯片(3)中的输出波导结构(308)一一对应；每个模斑变换器(401)的输入端与对应的输出波导结构(308)在水平方向和垂直方向上对准，每个模斑变换器(401)的输出端通过硅波导(403)与1个谐振器(402)的输入端相连，谐振器(402)的输出端设置有硅波导(403)；每个模斑变换器(401)上面均覆有低折射率层(5)。
2.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述N型波导层(304)的厚度大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。
3.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述有源层(305)的结构为量子阱、量子线或量子点，有源层(305)的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片(3)采用不同的有源层(305)，相邻光源芯片(3)的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。
4.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述脊型波导结构(307)的宽度满足光源芯片(3)输出单横模的条件。
5.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述输出波导结构(308)为直波导、倾斜波导或弯折波导。
6.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述电绝缘层(311)的材料选用SiO2、Si3N4或Al2O3。
7.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述模斑变换器(401)采用反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。
8.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述谐振器(402)采用选频结构。
9.如权利要求8所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：不同的谐振器(402)选择不同的中心波长、并从硅波导(403)中输出；同一个光源芯片(3)对应的多个谐振器(402)选择的波长覆盖该光源芯片(3)的有源层(305)的增益谱波长范围。
10.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于：所述低折射率层(5)的折射率位于空气折射率和硅材料折射率之间。
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