CN111650691B - 硅基片上集成半导体放大器 - Google Patents

硅基片上集成半导体放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基片上集成半导体放大器，包括：模场调控器，采用聚合物材料，其上设计包括载物台和相对于载物台对向设置的至少一组光传输波导，每组光传输波导包括光输入波导和光输出波导；InP基半导体放大器，置于载物台上，并具有光波导通路，光输入波导的光经光波导通路放大后传输至光输出波导；以及模斑变换器，采用聚合物材料，作为光输入波导、光波导通路和光输出波导之间的连接组件。本发明提供的该硅基片上集成半导体放大器，利用混合集成技术实现lnP基半导体放大器与硅基光子芯片之间的异质集成，利用模场调控器完成lnP基波导与硅基波导的光模场匹配、耦合与传输，最终实现低损耗、高增益的硅基片上集成光放大器。

Description

硅基片上集成半导体放大器
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种硅基片上集成半导体放大器。
背景技术
随着光子集成芯片规模的提升，片上集成的有源器件增多，不可避免的导致光功率的片上损耗增加，由此造成信号强度的大幅度衰减，使得信噪比降低，无法发挥光子集成芯片的最大效能。因此，需要引入光放大技术以对信号进行增益补偿。然而，受限于材料体系的不兼容，目前能够达到实用化的硅基半导体光放大器还没有取得突破性进展，所以只能选用lnP基材料的半导体放大器，如何实现硅基光子集成芯片与lnP基半导体放大器的片上集成是解决问题的关键。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种硅基片上集成半导体放大器，以至少部分解决以上技术问题。
本发明提供的硅基片上集成半导体放大器，包括：
模场调控器，采用聚合物材料，其上设计包括载物台和相对于所述载物台对向设置的至少一组光传输波导，每组光传输波导包括光输入波导和光输出波导；
InP基半导体放大器，置于所述载物台上，并具有光波导通路，所述光输入波导的光经所述光波导通路放大后传输至所述光输出波导；
以及模斑变换器，采用聚合物材料，作为所述光输入波导、所述光波导通路和所述光输出波导之间的连接组件，实现所述InP基半导体光放大器和所述模场调控器的光模场转换和模场耦合。
一些实施例中，所述模斑变换器包括内部的模斑变换波导和外部的包层，其中：
所述模斑变换波导为三维尺寸渐变结构的模斑变换波导；
所述包层的厚度不小于四分之一的光波长，且所述包层的折射率小于所述模斑变换波导的折射率。
进一步的，所述模斑变换波导包括：
第一端面，与所述光波导通路的一端面相接触，两者间径向偏差不超过1um，且所述第一端面的横截面面积与所述光波导通路的端面面积一致，重叠不小于89％；
第二端面，与所述光传输波导的一端面相接触，两者间径向偏差不超过1um，且所述第二端面的横截面尺寸与所述光传输波导的端面尺寸一致，重叠不小于89％。
一些实施例中，所述模斑变换波导的三维形状包括喇叭形、锥形、高斯形或任意可获得最大耦合效率的结构。
一些实施例中，所述模斑变换器为功能可逆结构，包括大模场到小模场的变换和小模场到大模场的变换。
一些实施例中，所述光传输波导中设置反射镜，形成垂直光传输波导和水平光传输波导。
一些实施例中，所述垂直光传输波导包括相对于所述模场调控器底面呈82°～98°的光传输波导；所述反射镜的反射率不小于98％，反射角度为37°～53°，偏差不超过0.1度；所述水平光传输波导和所述垂直光传输波导的横截面尺寸为9um±1um，误差不超过0.2um。
一些实施例中，所述硅基片上集成半导体放大器为功能可逆的对称结构包括在所述光输入波导、所述光波导通路和所述光输出波导中的光路可逆。
本发明提供的该硅基片上集成半导体放大器，具有以下有益效果：
(1)通过模斑变换器实现lnP基波导与硅基波导的模场匹配，完成光场在硅基波导与半导体放大器之间的高效低损耗传输；
(2)通过模场调控器实现lnP基水平波导与硅基垂直波导光栅的耦合；
(3)通过混合集成技术，实现硅基光子集成芯片与lnP基半导体放大器的异质集成；
(4)本发明方案最终实现低损耗、高增益的硅基片上集成光放大器，并为大规模硅基光子集成提供了一种有效、易实现的解决方案。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明一实施例提出的硅基片上集成半导体放大器的整体结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的lnP基半导体放大器的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的模场调控器的结构示意图；
图4a-图4b是本发明一实施例提供的模斑变换器的结构示意图；
图5a-图5d是本发明一实施例提供的硅基片上集成半导体放大器的制备流程示意图；
图6是本发明一实施例中硅基片上集成半导体放大器的应用示意图；
图7是本发明一实施例中硅基片上集成半导体放大器的光路示意图。
附图标记说明：
1半导体放大器；2模场调控器；3模斑变换器；11光波导；11a光波导输入端；11b光波导输出端；12衬底；13金属电极；21支撑主体；22a垂直光输入波导端面；22b垂直光输出波导端面；23a垂直光输入波导；23b垂直光输出波导；24a光输入反射镜；24b光输出反射镜；25a水平光输入波导；25b水平光输出波导；26a水平光输入波导端面；26b水平光输出波导端面；27载物台；31a输入模斑变换波导输入端面；31b输出模斑变换波导输出端面；32a输入模斑变换波导；32b输出模斑变换波导；33a输入模斑变换波导输出端面；33b输出模斑变换波导输入端面；34a输入模斑变换波导包层；34b输出模斑变换波导包层；4硅基光子集成芯片；41功能区a；42光放大区a；43功能区b；44光放大区b；45功能区c；46波导光栅a；47波导光栅b；48光栅耦合输入；49光栅耦合输出；5高能激光
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提供了一种硅基片上集成半导体放大器，请参见图1所示，包括：
模场调控器2，主要由聚合物材料制备，其上设计包括载物台和相对于载物台对向设置的至少一组光传输波导，每组光传输波导包括光输入波导和光输出波导；
InP基半导体放大器1，置于载物台上，并具有光波导通路，所述光输入波导的光经光波导通路进行放大后传输至光输出波导；
以及模斑变换器3，主要是由聚合物材料制备，作为光输入波导、光波导通路和光输出波导之间的连接组件，对InP基半导体放大器的输入输出光场进行整形以匹配模场调控器中的波导，降低光在耦合传输过程中的损耗，最终实现InP基半导体光放大器和模场调控器的光模场转换和模场耦合。
具体地，一些实施例中：
InP基半导体放大器1的结构可参见图2所示，包括在衬底12上设置金属电极13和光波导11(即光波导通路)。本实施例中，该半导体放大器1主要由InP基材料制备，其作用在于对输入光进行放大后输出，光波导11为直波导，并具有光波导输入端11a和光波导输出端11b。需要说明的是，在另一些具体实施例中，可根据实际应用需求设计光波导通路的形状、个数及排布方式，例如可设置光波导的形状为曲线形，可设置两条或两条以上光波导结构以接收多路光波导传输。
模场调控器2的结构可参见图3所示，包括载物台27和对称设置的光输入波导和光输出波导。本实施例中，模场调控器2由聚合物材料组成，通过激光直写技术完成内部功能波导的制备，包括：垂直光输入波导23a通过光输入反射镜24a转换光模场至水平光输入波导25a，由该垂直光输入波导和水平光输入波导共同形成光输入波导结构，并保留垂直光输入波导端面22a和水平光输入波导端面26a两个端面以实现光的可传输；水平光输出波导25b通过光输出反射镜24b转换光模场至垂直光输出波导23b，由该水平光输出波导和垂直光输出波导共同形成光输出波导结构，并保留水平光输出波导端面26b和垂直光输出波导端面22b两个端面以实现光的可传输。需要说明的是，在另一些具体实施例中，可根据实际应用需求设计光传输波导(包括光输入波导结构和光输出波导结构)的形状、个数及排布方式，例如可通过某类材料在确保传输过程不失真的前提下设置光传输波导的形状为曲线形或通过设置多个反射镜的方式得到适用于真实应用环境的不同结构的光传输波导，还可设置两条或两条以上光传输波导以配合半导体放大器1中可能存在的两条或两条以上的光波导通路。
进一步的，其中，垂直光传输波导(包括垂直光输入波导23a和垂直光输出波导23b)不局限于90度，也可以是倾斜8度，例如相对于模场调控器底面呈82°～98°范围内，以实现与光栅的耦合方向匹配。反射镜为高反结构，其反射率不小于98％，且反射角度为37°～53°，偏差不超过0.1度，用于实现水平光模场与垂直光模场的转换。水平光传输波导和垂直光传输波导的横截面尺寸为9um±1um，误差不超过0.2um，以实现与光栅模场尺寸的匹配，该尺寸主要由耦合对象的模场尺寸决定。需要说明的是，垂直光传输波导的角度与反射镜的反射角度对应设置，如垂直光传输波导的角度为82度时，反射镜的反射角度设置为37度，垂直光传输波导的角度为98°时，反射镜的反射角度设置为53°，只要实现垂直光束转成水平即可。
模斑变换器3的结构可参见图4a-图4b所示，包括模斑变换波导、模斑变换波导包层和模斑变换波导输入/输出端面。本实施例中，模斑变换器主要由聚合物材料制备，其特性是在受到高能激光照射后发生聚变反应，折射率增大；其中的模斑变换波导采用激光直写技术制备，通过精确控制高能激光的焦点及运行轨迹，完成内部的具有高折射率的三维尺寸渐变结构的模斑变换波导的制备，同时，外部未发生聚变反应的聚合物即为低折射率的模斑变换波导包层，该包层的厚度应不小于四分之一的光波长，从而实现对光场的约束和传输。需要说明的是，模斑变换器为成对结构，模斑变换器的成对数根据半导体放大器中存在的光波导通路的条数和模场调控器中光输入/输出波导的条数而定，模斑变换波导的三维形状不局限于喇叭形，其还可以是锥形、高斯形或任意可获得最大耦合效率的结构。
进一步的，上述的模斑变换波导包括：第一端面，如图4a中输入模斑变换波导输出端面33a和图4b中输出模斑变换波导输入端面33b，与半导体放大器1中光波导通路的一端面(11a或11b)相接触，两者间径向偏差不超过1um，且该第一端面的横截面面积与半导体放大器1中光波导通路的端面面积一致，重叠不小于89％；第二端面，如图4a中输入模斑变换波导输入端面31a和图4b中输出模斑变换波导输出端面31b，与模场调控器2中光传输波导的一端面(水平光输入波导端面26a或水平光输出波导端面26b)相接触，两者间径向偏差不超过1um，且该第二端面的横截面尺寸与模场调控器2的光传输波导的端面尺寸一致，重叠不小于89％，从而实现光场在InP基半导体放大器1与模场调控器2之间的低损耗传输。需要说的是，该模斑变换器为功能可逆结构，可以完成大模场到小模场的变换，反过来，可以完成和小模场到大模场的变换。
基于上述实施例中的硅基片上集成半导体放大器，本发明另一实施例提供了其的具体制备方法，以下结合图5a-图5b进一步说明本实施例提出的硅基片上集成半导体放大器的制备流程：
首先，将聚合物材料预制成模场调控器的支撑主体21的形状(如图5a所示)；
然后，利用激光直写工艺，调节高能激光的焦点和轨迹，在支撑主体中制备出反射镜、垂直波导和水平波导等结构，实现模场调控器的功能(如图5b所示)；
其次，将lnP基半导体放大器固定在载物台上(如图5c所示)；
最后，将聚合物材料覆盖半导体放大器波导与模场调控器波导之间的区域，再次利用激光直写工艺制备出模斑变换器结构(如图5d所示)。
基于上述制备完成的硅基片上集成半导体放大器(图5d所示结构)，以下通过在实际中的应用对其做更进一步的说明。
请参照图6所示，在上述硅基片上集成半导体放大器的工作过程中，光束从垂直光输入波导端面22a进入到模场调控器中，依次经过23a垂直光输入波导、24a光输入反射镜、25a水平光输入波导、26a水平光输入波导端面、31a输入模斑变换波导输入端面、32a输入模斑变换波导、33a输入模斑变换波导输出端面，然后进入到InP基半导体放大器中进行功率补偿，放大后的信号依次经过33b输出模斑变换波导输入端面、32b输出模斑变换波导、31b输出模斑变换波导输出端面、26b水平光输出波导端面、25b水平光输出波导、24b光输出反射镜、23b垂直光输出波导，最后从22b垂直光输出波导端面输出。
在实际应用中，需要在硅基光子集成芯片4中进行光增益补偿的位置留出两个输入输出光栅。然后，将该片上放大器呈“桥”状固化在其表面，使得46波导光栅a与22a垂直光输入波导端面、47波导光栅b与22b垂直光输出波导端面相接触。再请参照图7所示，器件工作时，将硅波导中光信号通过48光栅耦合输入至硅基片上集成半导体放大器中，然后将放大后的光信号通过49光栅耦合输出返回到硅波导中，从而实现光信号的中继增益补偿。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，包括：
模场调控器，采用聚合物材料，其上设计包括载物台和相对于所述载物台对向设置的至少一组光传输波导，每组光传输波导包括光输入波导和光输出波导，所述光输入波导中包括垂直光输入波导和水平光输入波导，以及用于将所述垂直光输入波导的光模场转换至所述水平光输入波导中的光输入反射镜，所述垂直光输入波导的未连接至所述水平光输入波导的一端为垂直光输入波导端面，所述光输出波导中包括水平光输出波导和垂直光输出波导，以及用于将所述水平光输出波导的光模场转换至所述垂直光输出波导中的光输出反射镜，所述垂直光输出波导的未连接所述水平光输出波导的一端为垂直光输出波导端面；
InP基半导体放大器，置于所述载物台上，并具有光波导通路，所述光输入波导的光经所述光波导通路放大后传输至所述光输出波导；
以及模斑变换器，采用聚合物材料，作为所述光输入波导、所述光波导通路和所述光输出波导之间的连接组件，实现所述InP基半导体光放大器和所述模场调控器的光模场转换和模场耦合；
其中，所述硅基片上集成半导体放大器设置于硅基光子集成芯片上，所述硅基光子集成芯片上设置有波导输入光栅和波导输出光栅，所述垂直光输入波导端面与所述波导输入光栅相接触，所述垂直光输出波导端面与所述波导输出光栅相接触，用于实现将所述硅基光子集成芯片上的光信号通过所述波导输入光栅耦合输入至所述硅基片上集成半导体放大器中进行光信号的放大处理，以及将放大后的光信号通过所述波导输出光栅耦合输出返回至所述硅基光子集成芯片中；所述模斑变换器包括内部的模斑变换波导和外部的包层，所述模斑变换波导为采用激光直写技术制备的三维尺寸渐变结构的模斑变换波导，所述包层的厚度不小于四分之一的光波长，且所述包层的折射率小于所述模斑变换波导的折射率。
2.根据权利要求1所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述模斑变换波导包括：
第一端面，与所述光波导通路的一端面相接触，两者间径向偏差不超过1um，且所述第一端面的横截面面积与所述光波导通路的端面面积一致，重叠不小于89％；
第二端面，与所述光传输波导的一端面相接触，两者间径向偏差不超过1um，且所述第二端面的横截面尺寸与所述光传输波导的端面尺寸一致，重叠不小于89％。
3.根据权利要求2所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述模斑变换波导的三维形状包括喇叭形、锥形、高斯形或任意可获得最大耦合效率的结构。
4.根据权利要求2所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述模斑变换器为功能可逆结构，包括大模场到小模场的变换和小模场到大模场的变换。
5.根据权利要求1所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述光传输波导中设置反射镜，形成垂直光传输波导和水平光传输波导。
6.根据权利要求5所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述垂直光传输波导包括相对于所述模场调控器底面呈82°～98°的光传输波导。
7.根据权利要求5所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述反射镜的反射率不小于98％，反射角度为37°～53°，偏差不超过0.1度。
8.根据权利要求5所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述水平光传输波导和所述垂直光传输波导的横截面尺寸为9um±1um，误差不超过0.2um。
9.根据权利要求1所述的硅基片上集成半导体放大器，其特征在于，所述硅基片上集成半导体放大器为功能可逆的对称结构包括在所述光输入波导、所述光波导通路和所述光输出波导中的光路可逆。
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