CN116231447A - 基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，涉及硅基光子学技术领域，包括：激光器阵列结构，包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器；光子晶体面发射半导体激光器包括：多层结构的外延层和光子晶体，多层结构的外延层位于多层结构的外延层内或者贯穿部分多层结构的外延层，其中，光子晶体用于对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。该集成光源及硅光芯片解决了现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等问题。

Description

基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片

技术领域

本发明涉及硅基光子学技术领域，具体涉及高速信息传输等片上光互联领域，尤其涉及一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片。

背景技术

基于硅基光子学技术的硅光芯片将硅基光子器件和电路集成到一起，为当前带宽需求最为迫切的大规模数据中心和高性能计算机内部光互连提供了非常具有前景的解决方案。该方案通过将光电子技术与微电子技术结合，在集成电路内部和芯片间引入集成光路，发挥光互联传输速度快、功耗低等优点，并且充分利用微电子工艺成熟、成本低、高密度集成等优点，单片集成方案目前具有集成度高，成本低，性能最佳，是硅基光互连的发展方向。

硅光子集成芯片包含光源、耦合器、光波导、光开关、调制器、探测器等器件，硅光芯片是为了实现某种特定功能的芯片，如通信上的收发芯片。目前硅基片上调制器、探测器、耦合器等无源器件的研究较为成熟，对于硅基光源，因为硅是间接带隙半导体材料，硅材料无法实现有效的发光，硅基光源一直都是阻碍硅基光互连发展的最大瓶颈。目前硅光芯片中的硅基光源方案有两种，一是在硅光芯片上直接引入光源，另一种光源方案是在硅基上混合集成IIIV族光源，与在硅光芯片上直接引入光源相比，混合集成光源具有易于与硅集成、光源密集度高的优点，更具有发展前景。

现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等缺点，不能实现快速、高耦合效率、低成本的需求。因此，亟需一种高对准容差、高耦合效率、低成本的混合集成硅光芯片。

发明内容

针对现有技术问题，本发明提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，用于解决现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等问题。

本发明实施例第一方面提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，包括：激光器阵列结构，包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器；光子晶体面发射半导体激光器包括：多层结构的外延层和光子晶体，多层结构的外延层位于多层结构的外延层内或者贯穿部分多层结构的外延层，其中，光子晶体用于对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。

根据本发明的实施例，多层结构的外延层包括依次叠设的P型重掺杂层、P型盖层、P型波导层、有源层、N型波导层、N型盖层和N型高掺层；多层结构的外延层的各层均由III-V族或IV族元素组成的物质构成；其中，P型重掺杂层和N型高掺层用于形成欧姆接触；P型波导层和N型波导层用于光场的传输；P型盖层和N型盖层防止光场与P型重掺杂层和N型高掺层重叠。

根据本发明的实施例，光子晶体为二维光子晶体，二维光子晶体的截面为具有对称特性的几何形状。

根据本发明的实施例，二维光子晶体的截面为周期性排列的多孔结构，通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控光场的分布和传输，以产生不同波长的激光。

根据本发明的实施例，多孔结构的周期的大小和孔的直径的大小为亚微米量级。

根据本发明的实施例，光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光场，沿外延方向且平行于光子晶体出射激光。

本发明实施例第二方面提供一种硅光芯片，包括：SOI基底；集成光源，集成光源为上述基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，集成光源与SOI基底键合；硅基光栅耦合器，设于SOI基底上，与集成光源耦合；硅基光波导，设于SOI基底上，与硅基光栅耦合器耦合，用于接收硅基光栅耦合器从集成光源耦合过来的激光及传播激光；硅基半导体器件，用于基于硅基光波导传播的激光实现对应功能。

根据本发明的实施例，SOI基底包括：依次叠设的SOI衬底硅层、SOI氧化埋层和SOI器件层；硅基光栅耦合器、硅基光波导和硅基半导体器件设于SOI器件层中。

根据本发明的实施例，，集成光源产生的激光耦合至硅基光栅耦合器的入射角为8°-10°。

根据本发明的实施例，硅基光栅耦合器的区域面积大于光子晶体面发射半导体激光器中发光区域的面积。

根据本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，至少包括以下有益效果：

集成光源的光子晶体面发射半导体激光器利用光子晶体，通过光子晶体对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光，极大地增大了激光波长的覆盖范围。光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光，沿外延方向且平行于光子晶体出射激光，能够方便集成大尺寸阵列光子晶体，从而兼容大阵列的混合集成。

光子晶体采用多孔结构，能够通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控激光器的远场模式，以匹配硅基光栅耦合器的结构参数，满足标准硅基光栅耦合器高耦合效率的非垂直入射角，实现高耦合效率、高对准容差的集成。

硅光芯片采用光子晶体面发射半导体激光器与硅基片上硅基光栅耦合器进行光耦合，实现了硅基光源高对准容差的快速高效集成，具有较高的耦合效率，适用于金属键合、直接键合、BCB胶键合、介质键合等多种集成光源的方案，同时兼容大阵列集成，实用性强，成本低，便于应用推广。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的结构图。

图2示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器的结构图。

图3示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器多层结构的外延层剖面结构图。

图4示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的硅光芯片的结构图。

图5示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的硅光芯片的光耦合结构图。

图6示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器模式调控图。

附图标记：

100-光子晶体面发射半导体激光器；101-P型重掺杂层；102-P型盖层；103-P型波导层；104-有源层；105-N型波导层；106-N型盖层；107-N型重掺杂层；108，光子晶体，108(1)-贯穿部分外延层的光子晶体结构；108(2)-位于外延层内的光子晶体结构；200-SOI基底；201-SOI器件层；202-SOI氧化埋（BOX）层；203-SOI衬底硅层；300-硅基光栅耦合器；400-硅基光波导；500-硅基阵列波导光栅（AWG）； 600-硅基耦合器；700-硅基调制器；800-硅基其他半导体功能器件。

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，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

图1示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的结构图。

图2示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器的结构图。

如图1及图2所示，该集成光源包括激光器阵列结构，激光器阵列结构包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器100。光子晶体面发射半导体激光器100包括：多层结构的外延层和光子晶体108。

光子晶体108位于多层结构的外延层内或者贯穿部分多层结构的外延层，其中，光子晶体108用于对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。

具体的，图2中上方所示的光子晶体面发射半导体激光器具有贯穿部分多层结构的外延层内的光子晶体结构108(1)，下方所示的光子晶体面发射半导体激光器具有位于多层结构的外延层内的光子晶体结构108(2)。光子晶体的位置可以位于多层结构的外延层内与光场进行强相互作用。对光场进行调控。也可以贯穿部分多层结构的外延层，形成强折射率调制从而对多层结构的外延层内光场的分布与传播进行调控。

光子晶体108可以为二维光子晶体，二维光子晶体的截面为具有对称特性的几何形状，可以是圆形、多边形等具有一定对称的任意几何形状。二维光子晶体的截面为周期性排列的多孔结构，通过调节多孔结构的周期D和/或孔的直径P来控制二维光子晶体结构的能带，进而调控光场的分布和传输，以产生不同波长的激光。多孔结构的周期的大小和孔的直径的大小可以为亚微米量级。

光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光场，沿外延方向平行于光子晶体出射光，因此能够方便地制作大尺寸的阵列，阵列的周期为大于光子晶体面发射半导体激光器尺寸的任意长度。

光子晶体面发射半导体激光器还包括衬底、正负电极和电极隔离层。多层结构的外延层形成在衬底上，正负电极与多层结构的外延层形成欧姆接触，电极隔离层形成在正负电极表面，能够减小漏电流。衬底由掺杂或不掺杂的III-V族或IV族元素组成的物质构成。

图3示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器多层结构的外延层剖面结构图。

如图3所示，多层结构的外延层包括依次叠设的P型重掺杂层101、P型盖层102、P型波导层103、有源层104、N型波导层105、N型盖层106和N型高掺层107。多层结构的外延层的各层均可以由III-V族或IV族元素组成的物质构成。各层的生长顺序可以根据具体的键合方式进行确定，即可以直接在衬底上先生长P重掺杂层101，也可以在衬底上先生长N型高掺层107。其中，P型重掺杂层101和N型高掺层107用于正负电极接触，形成欧姆接触。P型波导层103和N型波导层105用于光场的传输；P型盖层102和N型盖层106用于防止光场与P型重掺杂层101和N型高掺层107重叠，降低光场损耗，有源层104位于P型波导层103和N型波导层105中间，用于产生光增益，形成光场。有源层104可以包括N型分离限制异质结层、多量子阱有源层、P型分离限制异质结层，生长顺序可根据实际键合方式确定。

图4示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的硅光芯片的结构图。

如图4所示，硅光芯片可以包括SOI基底200，集成光源、硅基光栅耦合器300、硅基光波导400和硅基半导体器件。

集成光源与SOI基底200键合。硅基光栅耦合器300，设于SOI基底200上，与集成光源耦合，硅基光栅耦合器300的区域面积大于光子晶体面发射半导体激光器中发光区域的面积。硅基光波导400，设于SOI基底300上，与硅基光栅耦合器300耦合，用于接收硅基光栅耦合器300从集成光源耦合过来的激光及传播激光。硅基半导体器件，用于基于硅基光波导400传播的激光实现对应功能。

SOI基底200可以包括依次叠设的SOI衬底硅层203、SOI氧化埋层202和SOI器件层201。硅基光栅耦合器300、硅基光波导400和硅基半导体器件设于SOI器件层201中。SOI器件层201厚度一般为100nm-10μm，SOI氧化埋（BOX）层202厚度一般为大于1μm，衬底硅层203一般为几百微米。

硅基半导体器件可以包括硅基阵列波导光栅（AWG）500、硅基耦合器600、硅基调制器700；硅基其他半导体功能器件800。通过硅基光栅耦合器300将集成光源的光波耦合到硅基光波导400中，后续光信号就可以在无源硅半导体功能器件中进行传播以及信号的处理，例如，经过硅基耦合器600进行光束的分束以及合束等，经过硅基阵列波导光栅（AWG）500进行光信号的波分复用等，经过硅基调制器700对光信号进行高速调制传输高速信号等，还可以结合其他的硅基半导体功能器件800，和所述的光子晶体面发射半导体激光器单元以及阵列100进行混合集成获得所述硅光芯片，满足光互连、光交换和/或光传感等领域的需求。硅基其他半导体功能器件800可以包括硅基光探测器、硅基光开关、硅基路由器等器件。

图5示意性示出了本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源的硅光芯片的光耦合结构图。

如图5所示，光子晶体面发射半导体激光器可以通过直接键合、金属键合、BCB胶键合、介质键合等键合方式集成到SOI基底200上的硅基光栅耦合器300上，和硅基光栅耦合器300进行粗对准，即可将光通过光栅耦合器耦合进硅波导中，实现高对准容差、高耦合效率的集成光源，再与半导体功能器件集成，形成硅光芯片。

通过对硅基光栅耦合器300的光栅结构进行设计，改变光栅的周期或者占空比等参数，根据能量守恒定律，当光栅水平方向的传播常数κ1等于波导结构的传播常数κ2时，从光子晶体面发射半导体激光器产生的垂直入射的光可以发生90度偏转，从而将光耦合到硅基光波导400中。但是在这种情况下，光栅耦合会引入大量的损耗。并且，即便在垂直耦合条件下，被引入的光仍然需要通过位于光栅两侧的一对能够进行相位补偿的波导后才能再汇合到一起进入后续器件中，这使得整个系统变得更为复杂。因此，本发明实施例可以通过对光子晶体面发射半导体激光器的光模式进行调控，让激光器的远场模式偏离轴向一定的角度，满足标准硅基光栅耦合器高耦合效率的非垂直入射角，从而避免光栅耦合器的二阶布拉格反射，提高耦合效率，并且具备对准容差大的优点。集成光源产生的激光耦合至所述硅基光栅耦合器的入射角为8°-10°。此外，由于光子晶体面发射半导体激光器的横向振荡垂直激射的特性，便于和硅基光栅耦合器300直接进行集成。

图6示意性示出了本发明实施例提供的光子晶体面发射半导体激光器模式调控图。

如图6所示，通过改变光子晶体面发射半导体激光器的注入电流，从而改变激光器内部的载流子注入，利用不同载流子密度下增益峰漂移效应，可以调控光子晶体面发射半导体激光器100的不同的模式进行激射，不同的激射模式有不同角度的离轴（非法向方向）辐射远场，因此可以进行注入载流子浓度的调控获得和硅基光栅耦合器的高效离轴耦合角度对应的离轴辐射远场，从而实现耦合效率可调，并实现较高耦合效率。

综上所述，本发明的实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，光子晶体面发射半导体激光器能够通过金属键合、直接键合、BCB胶键合、介质键合等多种键合方案集成到SOI基底上，通过硅基光栅耦合器耦合到硅波导中作为片上信号源，并可以和各种硅基半导体功能器件进行集成，实现各种功能的硅光集成芯片。通过调控光子晶体面发射半导体激光器的远场激射模式，满足标准硅基光栅耦合器高耦合效率的非垂直入射角，实现高耦合效率、高对准容差的集成。集成光源及硅光芯片结构紧凑，设计合理，集成简单，实现方便。集成光源及硅光芯片实现了快速高效大阵列集成的功能，同时具有较高的耦合对准容差；集成光源及硅光芯片实现了成本低，快速高耦合效率集成，实用性强，便于推广应用。

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，所应理解的是，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 (10)

1.一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，其特征在于，包括：

激光器阵列结构，包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器；所述光子晶体面发射半导体激光器包括：多层结构的外延层和光子晶体，所述光子晶体位于所述多层结构的外延层内或者贯穿部分所述多层结构的外延层，

其中，所述光子晶体用于对所述多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。

2.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述多层结构的外延层包括依次叠设的P型重掺杂层、P型盖层、P型波导层、有源层、N型波导层、N型盖层和N型高掺层；所述多层结构的外延层的各层均由III-V族或IV族元素组成的物质构成；

其中，所述P型重掺杂层和所述N型高掺层用于形成欧姆接触；所述P型波导层和所述N型波导层用于所述光场的传输；所述P型盖层和所述N型盖层防止所述光场与所述P型重掺杂层和所述N型高掺层重叠。

3.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述光子晶体为二维光子晶体，所述二维光子晶体的截面为具有对称特性的几何形状。

4.根据权利要求3所述的集成光源，其特征在于，所述二维光子晶体的截面为周期性排列的多孔结构，通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控所述光场的分布和传输，以产生不同波长的激光。

5.根据权利要求4所述的集成光源，其特征在于，所述多孔结构的周期的大小和孔的直径的大小为亚微米量级。

6.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光场，沿外延方向且平行于所述光子晶体出射所述激光。

7.一种硅光芯片，其特征在于，包括：

SOI基底；

集成光源，所述集成光源为权利要求1-6任一项所述的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，所述集成光源与所述SOI基底键合；

硅基光栅耦合器，设于所述SOI基底上，与所述集成光源耦合；

硅基光波导，设于所述SOI基底上，与所述硅基光栅耦合器耦合，用于接收所述硅基光栅耦合器从所述集成光源耦合过来的激光及传播所述激光；

硅基半导体器件，用于基于所述硅基光波导传播的所述激光实现对应功能。

8.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述SOI基底包括：依次叠设的SOI衬底硅层、SOI氧化埋层和SOI器件层；

所述硅基光栅耦合器、所述硅基光波导和所述硅基半导体器件设于所述SOI器件层中。

9.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述集成光源产生的激光耦合至所述硅基光栅耦合器的入射角为8°-10°。

10.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述硅基光栅耦合器的区域面积大于所述光子晶体面发射半导体激光器中发光区域的面积。

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