CN108183390B - 一种单片硅基发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单片硅基发射器，涉及硅光子与光电子集成领域。该发射器包括：一个集成到硅基平台的激光器；一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器；一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器，该硅波导双锥分束器与尖端模斑匹配器相连；两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极；一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器，该MMI分束器分出有两个输出端口；以及一个形成于硅基平台，且与MMI分束器其中一个输出端口连接的背光探测器。本发明不但实现了激光器与调制器在硅基平台单片集成，而且制作成本低、工艺简单、集成度高且利于大规模生产。

Description

一种单片硅基发射器
技术领域
本发明涉及硅光子与光电子集成领域，具体来讲是一种单片硅基发射器。
背景技术
随着信息技术和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺技术的发展，人们对于系统的运算速度要求越来越快、芯片的尺寸要求越来越小。然而，建立在传统蚀刻工艺基础的硅集成电路在芯片尺寸方面已经趋于工艺极限；主要因为伴随尺寸的不断缩小，传统电互连为基础的集成电路的互连延迟效应与能耗问题逐渐显现，这限制了系统运行速度和集成度的提升。而与电互连技术相比，以光波子作为信息载体的光互连技术，具有信号无干扰、响应速度快、低功耗、大带宽等优点。因此，人们希望借助于成熟的CMOS工艺，以光子作为信息载体，在硅基平台上实现光电子器件的混合集成。
近年来，随着硅基光子学的深入发展，人们已经在SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)平台上不仅成功制作了光波导，耦合器，分束器等无源器件，同时也制备出性能突出的硅基调制器与探测器。然而，核心器件激光器的研究却进展缓慢。主要因为硅材料是间接带隙半导体，发光效率较低，只能通过III-V族半导体材料作为增益介质；另外，传统激光器与CMOS工艺硅波导的模斑失配也阻碍了激光器的片上集成。
目前，为了实现激光器与硅波导的模斑匹配，人们制作了各种模斑转换器，如倒锥转换器，氮氧化硅/聚合物大模场转换器，三叉戟转换器。目的是将与激光器匹配的大模场逐步导入单模硅波导中。然而这些转化器的设计结构要么制作复杂，工艺容差小，要么需要在CMOS工艺过程中引入高成本材料。均与当前硅材料主导的CMOS不兼容。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单片硅基发射器，不但实现了激光器与调制器在硅基平台单片集成，而且制作成本低、工艺简单、集成度高且利于大规模生产。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种单片硅基发射器，包括：一个集成到硅基平台的激光器；一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器；一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器，该硅波导双锥分束器与尖端模斑匹配器相连；两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极；一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器，该MMI分束器分出有两个输出端口；以及一个形成于硅基平台，且与MMI分束器其中一个输出端口连接的背光探测器。
在上述技术方案的基础上，当MZI调制器两臂上仅形成有热电极时，该MZI调制器为热光调制器；当MZI调制器两臂上仅形成有高频电极时，该MZI调制器为电光调制器；当MZI调制器两臂上既形成有热电极又形成有高频电极时，该MZI调制器为热光/电光调制器。
在上述技术方案的基础上，所述MMI分束器分出的两个输出端口再分别通过级联3dB分束器或MMI分束器，分出多个输出端口；并且，在每个作为末端的分束器的一个输出端口上连接一个背光探测器。
在上述技术方案的基础上，所述激光器采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料；其有源层的增益介质为量子阱、量子线或量子点。
在上述技术方案的基础上，所述增益介质的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
在上述技术方案的基础上，所述激光器的集成方式采用倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长。
在上述技术方案的基础上，所述尖端模斑匹配器由若干个硅波导制成，且该硅波导的横截面形状为矩形、梯形或多边形。
在上述技术方案的基础上，所述尖端模斑匹配器的材料为硅材料，或者是集成在硅平台上的氮化硅材料、氮氧化硅材料、二氧化硅材料，或者是硅氧烷有机聚合物材料。
在上述技术方案的基础上，所述硅波导双锥分束器中的锥形结构在水平方向上，为单锥结构、多锥结构或者锥形结构与直波导的组合结构。
在上述技术方案的基础上，所述硅波导双锥分束器中的锥形结构在竖直方向上，为条形波导、脊型波导或锥形台阶波导。
在上述技术方案的基础上，所述高频电极为行波电极或分布式电极。
在上述技术方案的基础上，所述MZI调制器形成于硅基平台；其有源区材料为硅，或集成在硅基平台的锗硅，或III-V族半导体材料。
在上述技术方案的基础上，所述背光探测器形成于硅基平台；其有源区材料为硅，或集成在硅平台的锗，或III-V族半导体材料。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中，首先利用尖端模斑匹配器与MZI调制器的输入端级联，实现了激光器与硅基调制器的耦合集成；然后，MZI调制器输出端后面再利用MMI分束器分出两路：其中一路连接背光探测器，与MZI调制器两臂电极加载信号形成反馈回路，实现对激光器输出功率，MZI调制器调制相位以及MMI分光比的控制；而由MMI分束器分出的另外一路则输出调控后的光信号。本发明规避了传统模斑转换器制作复杂且工艺容差小的问题，能与当前CMOS工艺兼容，且结构简单、工艺容差大、制作成本低、集成度高，可用于硅基平台上激光器与调制器的集成。
2、本发明摈弃了传统MZI结构，将激光器与调制器直接集成，使得光链路简单，尺寸更小，且损耗更低。
3、本发明引入了调制器相位控制电极(即热电极)以及探测器背相监控，不仅实现了调制器的锁定与控制，同时增大了激光器耦合容差且集成激光器背向检测功能，从而进一步降低了封装与测试成本。
附图说明
图1为本发明实施例中单片硅基发射器的结构示意图；
图2a为单模激光器的输出光斑图；
图2b为双尖端模斑匹配器的输出光斑图；
图3为本发明实施例中仿真激光器与硅基调制器耦合的插损与对准容差图；
图4为本发明实施例中单片硅基发射器的另一结构示意图。
附图标记：
1-激光器；2-尖端模斑匹配器；3-硅波导双锥分束器；4-热电极；4’-高频电极；5-MMI合束器；5’-MMI分束器；6-背光探测器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种单片硅基发射器，该发射器包括：一个集成到硅基平台的激光器1，其作为片上光源，输入连续激光；一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器2，用于与激光器1的模斑进行匹配；一个作为MZI(马赫-曾德干涉)调制器输入端的硅波导双锥分束器3，对输入光功率进行分束(其长度设计可以改变激光器1对准工艺误差导致的波导超模相位，将光分成两路等功率输出至MZI调制器两臂上)；两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极4和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极4’；其中，热电极4用于与背光探测器6配合，通过改变电流使MZI调制器锁定在偏置点，使MZI的消光比满足需求；高频电极4’用于将调制信号加载到MZI调制器两臂上，对输入光的强度或相位进行调制；一个作为MZI调制器输出端的MMI(Multimode Interference多模干涉)合束器，用于输出调制好的光信号；一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器5’，用于将MZI调制器输出的光信号分成两路，一路连接背光探测器6，一路通过光出口输出；一个形成于硅基平台，且与MMI分束器5’其中一个输出端口连接的背光探测器6，能够将输出的光信号转化成电信号，监控光强的变化，并与MZI调制器两臂电极加载信号，激光器1控制电路分别形成反馈回路，用于控制MZI调制器的电流偏置点以及激光器1的工作电流。
可以理解的是，本发明实施例中，作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器3、作为MZI调制器输出端的MMI合束器5、以及作为MZI调制器两臂且连接硅波导双锥分束器3和MMI合束器5的硅波导，共同构成了一个完整的MZI调制器(如图1和图4所示)。其中，当MZI调制器两臂上仅形成有热电极4时，则该MZI调制器可作为热光调制器使用；当MZI调制器两臂上仅形成有高频电极4’(该高频电极4’可以为行波电极或分布式电极)时，则该MZI调制器可作为电光调制器使用；当MZI调制器两臂上既形成有热电极4又形成有高频电极4’时，则该MZI调制器可作为热光/电光调制器使用，即两种调制器的组合。
具体来说，实际应用中，所述激光器1采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，其有源层的增益介质为量子阱、量子线或量子点，且增益介质的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；并且，该激光器1的集成方式采用倒装焊，正装焊，贴片封装，异质键合，异质转移或外延生长等方式。所述尖端模斑匹配器2由若干个硅波导制成(1个，2个或多个)，且所采用的硅波导的横截面形状可为矩形、梯形或多边形等；其材料为硅材料，也可以是集成在硅平台上的氮化硅材料，氮氧化硅材料，二氧化硅材料或硅氧烷有机聚合物材料等。所述硅波导双锥分束器3中的锥形结构在水平方向上，可以为单锥结构、多锥结构或者锥形结构与直波导的组合结构；在竖直方向上，可以为条形波导，脊型波导或锥形台阶波导。所述MZI调制器(即包括硅波导双锥分束器3、MMI合束器5和作为MZI调制器两臂的硅波导)形成于硅基平台，其有源区材料可以为硅，或集成在硅基平台的锗硅，或III-V族半导体材料等。所述背光探测器6也形成于硅基平台，其有源区材料可以为硅，或集成在硅平台的锗，或III-V族半导体材料等。
进一步地，为了达到多输出光口的效果，从而满足各种使用需求。实际应用中，可在所述MMI分束器5’分出的两个输出端口处再分别通过级联3dB分束器或MMI分束器5’，分出四个或多个端口来；并且，在每个作为末端的分束器(3dB分束器或MMI分束器5’)的一个输出端口上连接一个背光探测器6，如图4所示。
本发明实施例的单片硅基发射器，首先利用尖端模斑匹配器2与MZI调制器的输入端级联，实现了激光器1与硅基调制器的耦合集成；然后，MZI调制器输出端后面再利用MMI分束器5’分出两路：其中一路连接背光探测器6，与MZI调制器两臂电极加载信号形成反馈回路，实现对激光器1输出功率，MZI调制器调制相位以及MMI分光比的控制；而由MMI分束器5’分出的另外一路则输出调控后的光信号。本发明规避了传统模斑转换器制作复杂且工艺容差小的问题，能与当前CMOS工艺兼容，且结构简单、工艺容差大、制作成本低、集成度高，可用于硅基平台上激光器1与调制器的集成。
为了更清楚的理解本发明，下面通过一个具体实施例对本发明的单片硅基发射器作进一步详细说明。参见图1所示，该实施例提供的单片硅基发射器，包括：
一个集成到SOI平台的单模激光器1，该单模激光器1通过Flip-chip(倒转焊接)的方法集成到SOI的衬底硅上，其作为片上光源输入连续激光。如图2a所示，仿真显示该激光器1输出光斑水平尺寸为3um附近。
一个形成于硅波导端面的双尖端模斑匹配器2；如图2b所示，仿真显示该双尖端模斑匹配器2的输出光斑水平尺寸接近3um，与激光器1的输出模斑匹配度为90％，耦合插损为1dB。
一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器3，与双尖端模斑匹配器2相连，通过设计其长度与中间间距将输入光均等功率地分成两路，并输入到MZI调制器的两个臂中。
两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极4；在MZI调制器两臂上形成热相移调制器，与背光探测器6配合，通过改变电流使MZI调制器锁定在3dB点，使MZI调制器的静态消光比最大。
两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极4’；通过注入电流对加载到MZI调制器的两个臂上的光进行调制，使输出端(即MMI合束器5)的光强干涉增强或相消。
一个作为MZI调制器输出端的MMI合束器5，用于输出调制好的光信号。如图3所示，仿真显示该MMI合束器5输出端口的输出光功率的最小插损在1.5dB附近，且水平耦合容差1dB的耦合容差在1um附近。
一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器5’，用于将MMI合束器5输出的光信号分成两路：一路连接背光探测器6，一路输出。
一个形成于硅基平台，且与MMI分束器5’其中一个输出端口连接的背光探测器6，将输出的光信号转化成电信号，监控光强的变化，并与MZI调制器两臂电极加载信号，激光器1控制电路分别形成反馈回路，用于控制MZI调制器的电流偏置点以及激光器1的工作电流。
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 (13)

1.一种单片硅基发射器，其特征在于，该发射器包括：
一个集成到硅基平台的激光器；
一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器；
一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器，该硅波导双锥分束器与尖端模斑匹配器相连；
两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极；
一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器，该MMI分束器分出有两个输出端口；
以及一个形成于硅基平台，且与MMI分束器其中一个输出端口连接的背光探测器。
2.如权利要求1所述的单片硅基发射器，其特征在于：当MZI调制器两臂上仅形成有热电极时，该MZI调制器为热光调制器；当MZI调制器两臂上仅形成有高频电极时，该MZI调制器为电光调制器；当MZI调制器两臂上既形成有热电极又形成有高频电极时，该MZI调制器为热光/电光调制器。
3.如权利要求1所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述MMI分束器分出的两个输出端口再分别通过级联3dB分束器或MMI分束器，分出多个输出端口；并且，在每个作为末端的分束器的一个输出端口上连接一个背光探测器。
4.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述激光器采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料；其有源层的增益介质为量子阱、量子线或量子点。
5.如权利要求4所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述增益介质的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
6.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述激光器的集成方式采用倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长。
7.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述尖端模斑匹配器由若干个硅波导制成，且该硅波导的横截面形状为矩形、梯形或多边形。
8.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述尖端模斑匹配器的材料为硅材料，或者是集成在硅平台上的氮化硅材料、氮氧化硅材料、二氧化硅材料，或者是硅氧烷有机聚合物材料。
9.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述硅波导双锥分束器中的锥形结构在水平方向上，为单锥结构、多锥结构或者锥形结构与直波导的组合结构。
10.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述硅波导双锥分束器中的锥形结构在竖直方向上，为条形波导、脊型波导或锥形台阶波导。
11.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述高频电极为行波电极或分布式电极。
12.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述MZI调制器形成于硅基平台；其有源区材料为硅，或集成在硅基平台的锗硅，或III-V族半导体材料。
13.如权利要求1至3中任一项所述的单片硅基发射器，其特征在于：所述背光探测器形成于硅基平台；其有源区材料为硅，或集成在硅平台的锗，或III-V族半导体材料。
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