CN109378707A - 一种硅基可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基可调谐激光器，涉及硅基光子学与集成光电子学领域，包括：集成在硅基平台的半导体放大器；模斑转换器，其与半导体放大器的背光端相连，模斑转换器包括双倒锥波导；非对称马赫‑曾德尔干涉仪AMZI，其包括不等长的第一臂和第二臂，第一臂和第二臂的输入端分别与双倒锥波导级联，第一臂和第二臂的输出端交汇形成单波导，第二臂上设有加热器；第一微环滤波器，其与第一臂级联，第一微环滤波器上设有加热器；第二微环滤波器，其与第二臂级联，第二微环滤波器上设有加热器。分布式布拉格反射器DBR，用于实现光学反馈，形成于单波导上。本发明制作成本低、工艺简单、集成度高且利于大规模生产，能提高调谐带宽和波长稳定性。

Description

一种硅基可调谐激光器
技术领域
本发明涉及硅基光子学与集成光电子学领域，具体涉及一种硅基可调谐激光器。
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，可调谐激光器是相干光通信领域的主要光源，传统可调谐激光器制作复杂，成本较高。
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兼容CMOS工艺，低成本的硅基可调谐激光器。不但实现了可调谐激光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。
为达到以上目的，本发明摒弃传统模斑转换器中模式逐步导入单模硅波导设计理念，将与半导体放大器匹配的结构，通过双倒锥波导直接与非对称马赫-曾德尔干涉仪(Asymmetric Mach-Zehnder Interferometer，AMZI)级联，实现波长可调谐激光器在硅基平台的片上集成。
一般地，本说明书描述的一个发明方面可以体现在硅基可调谐激光器中，该硅基可调谐激光器包括：集成在硅基平台的半导体放大器；模斑转换器，其与所述半导体放大器的背光端相连，所述模斑转换器包括双倒锥波导；非对称马赫-曾德尔干涉仪AMZI，其包括不等长的第一臂和第二臂，所述第一臂和第二臂的输入端分别与所述双倒锥波导级联，所述第一臂和第二臂的输出端交汇形成单波导，且所述第二臂上设有加热器；第一微环滤波器，其与所述第一臂级联，所述第一微环滤波器上设有加热器；第二微环滤波器，其与所述第二臂级联，所述第二微环滤波器上设有加热器；以及分布式布拉格反射器(DistributedBragg Reflector，DBR)，其用于实现光学反馈，所述DBR形成于所述单波导上。
前述和其他实施例每个都可以可选地包括以下特征中的一个或多个(单独或组合地)。
所述第一微环滤波器和第二微环滤波器的微环周长不相同。
所述双倒锥波导中的锥形结构在水平方向上，为单锥结构、多锥结构或锥形结构与直波导的组合。
所述双倒锥波导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。
所述半导体放大器采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。
所述半导体放大器的输出端与背光端均镀有抗反模。
所述半导体放大器通过倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长的方式集成在硅基平台上。
所述第一微环滤波器和第二微环滤波器中的微环为圆环、圆盘、三角形环或多边形环。
所述DBR的结构为一维亚波长光栅、二维亚波长光栅或者光子晶体。
所述模斑转换器采用的材料为硅材料，或集成在硅基平台上的氮化硅材料氮氧化硅材料、二氧化硅材料、聚合物材料。
可以实施本说明书描述的主题的特定实施例以实现以下优点中的一个或多个。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，该硅基可调谐激光器与当前CMOS工艺兼容，且结构简单，制作成本低。摈弃传统MZI相位调制串联微环结构，使用AMZI将半导体放大器与微环滤波器直接集成，光链路简单，尺寸更小，且损耗更低。引入AMZI调节相位和波长，不仅提高了调谐带宽，同时AMZI与微环滤波器的组合，有利于提高波长稳定性。
在附图和以下描述中阐述本说明书描述的主题的一个或多个实施例的细节。主题的其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求变得显然。
附图说明
图1为硅基可调谐激光器的布局图。
图中：1-半导体放大器，2-模斑转换器，21-双倒锥波导，3-非对称马赫-曾德尔干涉仪，31-第一臂，32-第二臂，4-加热器，5-第一微环滤波器，6-第二微环滤波器，7-分布式布拉格反射器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本申请中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件；当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件、也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。
参见图1所示，图1是硅基可调谐激光器的布局图，该硅基可调谐激光器包括半导体放大器1、模斑转换器2、非对称马赫-曾德尔干涉仪3、加热器4、第一微环滤波器5、第二微环滤波器6和分布式布拉格反射器7。在图1中仅仅示出模斑转换器2的双倒锥波导21、非对称马赫-曾德尔干涉仪3的第一臂31和第二臂32。
其中，半导体放大器1集成在硅基平台上。在一些替选实现中，半导体放大器1采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，其有源层采用的结构为量子阱、量子线或量子点。增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。
在一些替选实现中，对于半导体放大器1的集成方式，可以根据条件或者需要，通过倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长的方式集成在硅基平台上。
在一些替选实现中，在半导体放大器1的输出端与背光端均镀有抗反模。半导体放大器1作为片上光源，输入连续激光。
模斑转换器2与半导体放大器1的背光端相连，模斑转换器2包括双倒锥波导21。
在一些替选实现中，模斑转换器2的截面形状为多边形，比如可以是矩形或者梯形。此外，模斑转换器2的数量也可以根据需要合理设置，比如数量可以为1个，2个或多个。
在一些替选实现中，模斑转换器2采用的材料为硅材料，或集成在硅基平台上的氮化硅材料氮氧化硅材料、二氧化硅材料、聚合物材料。
在一些替选实现中，双倒锥波导21中的锥形结构在水平方向上，为单锥结构、多锥结构或锥形结构与直波导的组合。
在一些替选实现中，双倒锥波导21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。
非对称马赫-曾德尔干涉仪3，其包括不等长的第一臂31和第二臂32，第一臂31和第二臂32的输入端均与双倒锥波导21级联，所述第一臂31和第二臂32的输出端交汇形成单波导，且第二臂32上设有加热器4。通过改变注入电流对AMZI上相位进行调谐，从而调节输出波长谱线。
第一微环滤波器5，其与第一臂级联31，第一微环滤波器上设有加热器4。通过改变注入电流对微环上相位进行调谐，从而调节输出波长谱线。
第二微环滤波器6，其与第二臂32级联，第二微环滤波器上设有加热器4。通过改变注入电流对微环上相位进行调谐，从而调节输出波长谱线。
在一些替选实现中，第一微环滤波器5和第二微环滤波器6中的微环为圆环、圆盘、三角形环或多边形环。
在一些替选实现中，设置在第二臂32、第一微环滤波器5和第二微环滤波器6上的加热器4为硅基加热器。
通过对第二臂32、第一微环滤波器5和第二微环滤波器6这三个结构对应硅基加热器的分别或同时调谐，可以改变激光器的输出波长值，从而实现波长可调谐。
此外，在一些替选实现中，第一微环滤波器5与第二微环滤波器6的微环周长不相同，从而引入的自由频谱宽度FSR不同，进而就可以利用游标效应提高波长可调谐的范围。进一步地，AMZI的带宽与输出波长谱宽均较宽，与第一微环滤波器5和第二微环滤波器6的组合可以提高调谐带宽的同时增强次阶模抑制，提高波长输出稳定性。
分布式布拉格反射器7，用于实现光学反馈，其形成于单波导上。
在一些替选实现中，分布式布拉格反射器7的结构为一维亚波长光栅、二维亚波长光栅或者光子晶体。
综上所述，本发明摈弃传统MZI相位调制串联微环结构，使用AMZI将半导体放大器与微环滤波器直接集成，光链路简单，尺寸更小，且损耗更低。引入AMZI调节波长，不仅提高的调谐带宽，同时AMZI与微环滤波器的组合，有利于提高波长稳定性。
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)

1.一种硅基可调谐激光器，其特征在于，包括：
集成在硅基平台的半导体放大器；
模斑转换器，其与所述半导体放大器的背光端相连，所述模斑转换器包括双倒锥波导；
非对称马赫-曾德尔干涉仪AMZI，其包括不等长的第一臂和第二臂，所述第一臂和第二臂的输入端分别与所述双倒锥波导级联，所述第一臂和第二臂的输出端交汇形成单波导，且所述第二臂上设有加热器；
第一微环滤波器，其与所述第一臂级联，所述第一微环滤波器上设有加热器；
第二微环滤波器，其与所述第二臂级联，所述第二微环滤波器上设有加热器；以及
分布式布拉格反射器DBR，其用于实现光学反馈，所述DBR形成于所述单波导上。
2.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述第一微环滤波器和第二微环滤波器的微环周长不相同。
3.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述双倒锥波导中的锥形结构在水平方向上，为单锥结构、多锥结构或锥形结构与直波导的组合。
4.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述双倒锥波导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。
5.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述半导体放大器采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。
6.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述半导体放大器的输出端与背光端均镀有抗反模。
7.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述半导体放大器通过倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长的方式集成在硅基平台上。
8.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述第一微环滤波器和第二微环滤波器中的微环为圆环、圆盘、三角形环或多边形环。
9.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述DBR的结构为一维亚波长光栅、二维亚波长光栅或者光子晶体。
10.如权利要求1所述的一种硅基可调谐激光器，其特征在于：所述模斑转换器采用的材料为硅材料，或集成在硅基平台上的氮化硅材料、氮氧化硅材料、二氧化硅材料、聚合物材料。
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