CN1877933A

CN1877933A - 脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构

Info

Publication number: CN1877933A
Application number: CN 200510011900
Authority: CN
Inventors: 许兴胜; 王春霞; 陈弘达
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2025-06-09
Also published as: CN100373721C

Abstract

一种脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，包括：一SOI材料；一脊形波导，该脊形波导做在SOI材料上；一P型硅，该P型硅制作在脊形波导的一侧边；一N型硅，该N型硅制作在脊形波导的另一侧边；一光子晶体后端反射镜，该光子晶体后端反射镜位于脊形波导的后端，刻蚀在SOI材料上；一光子晶体前端反射镜，该光子晶体前端反射镜位于脊形波导的输入端，刻蚀在SOI材料上；该光子晶体前端反射镜和光子晶体后端反射镜和脊形波导组成激光器的谐振腔，光子晶体对光起到全反射镜的作用。

Description

脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构

技术领域

本发明是一种脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，用二维光子晶体作为谐振腔的端面反射镜，单模脊形波导作谐振腔体。

背景技术

05年2月17日，美国《自然》杂志报道了世界上第一个连续波硅基拉曼激光器(Haisheng Rong，Richard Jones，Ansheng Liu，Oded Cohen，Dani Hak Alexander Fang，Mario Paniccia，A continuous-wave Raman siliconlaser，NATURE，433(2005)725-728)，这是硅基光电器件及其集成研究的重要里程碑。

目前用来处理数据的半导体芯片其发展的主要瓶颈在于芯片的运算速度，导致这一瓶颈的部分原因就是金属的物理属性：金属存在电阻，限制芯片的运算速度；另一方面，工作的过程中还会产生热量。当芯片的吞吐能力达到每秒钟上万亿字节的时候，现在使用的金属线就不能胜任，而用光波导来代替金属线，光在波导中的传播速度要比电流在金属线中的传播速度快得多，另外一方面不同频率的光可以在同一个波导中传播，这样大大提高了数据的传输量。光波导主要应用在信号传输方面，对于信号处理则还处于研究阶段。

目前的半导体芯片主要由硅材料制造，因此硅材料便成为研制光信号处理器的首选，这样一来，就可以利用现有的成熟硅工艺批量生产。但是硅在控制光信号方面的能力很有限，硅的发光效率很低，因此在硅材料中置入激光，是一项巨大的挑战。相反，如果应用III-IV族材料作为有源介质来制作激光器，再将其集成到硅芯片中，这中方式使得整个芯片的成本过高，很难实现大规模生产具有经济效益的芯片。人们希望开发出一种硅激光，使其集成在芯片中，能够产生携带数据信息的激光脉冲。

Intel研究院的这项成果使得硅基光电器件及其集成研究向前迈入了一大步，他们提出的硅基拉曼激光器的结构是在脊形波导的两个端面镀膜起到对光的反射作用，以此构成激光器的谐振腔，形成一个独立的器件，见附图1、图2：器件俯视图，整个器件是用同一片SOI材料11制成，12为脊形波导，为“S”形，在12的两边是P-N结，其中13为P-N结的N区，14为P-N结的P区，15、16为在脊形波导两个端面镀的多层增反膜，激光器工作时，泵浦光从脊形波导前端面耦合进脊形波导，激光从前端面输出。该种结构有它的缺点，需要在端面镀多层反射膜，对端面平整度要求很高，因为在两个端面镀膜，该种结构不利于与其他器件的集成。而本发明可以解决该问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脊形波导与二维光子晶体相结合构成谐振腔的硅基拉曼激光器结构，该结构不需在端面镀多层反射膜，对端面平整度要求很低，该种结构利于与其他器件的集成。

本发明一种脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，包括：

一SOI材料；

一脊形波导，该脊形波导做在SOI材料上；

一P型硅，该P型硅制作在脊形波导的一侧边；

一N型硅，该N型硅制作在脊形波导的另一侧边；

一光子晶体后端反射镜，该光子晶体后端反射镜位于脊形波导的后端，刻蚀在SOI材料上；

一光子晶体前端反射镜，该光子晶体前端反射镜位于脊形波导的输入端，刻蚀在SOI材料上；

该光子晶体前端反射镜和光子晶体后端反射镜和脊形波导组成激光器的谐振腔，光子晶体对光起到全反射镜的作用。

其中SOI材料包括：一硅衬底；一二氧化硅绝缘层，该二氧化硅绝缘层制作在硅衬底上；一顶层硅，该顶层硅制作在二氧化硅绝缘层上。

其中二氧化硅绝缘层的厚度为1-2微米，顶层硅的厚度为1-5微米。

其中脊形波导为满足脊形波导的单模条件的单模波导，波导截面为梯形或矩形，整体呈螺旋形或矩形或之字形。

其中光子晶体前端反射镜和光子晶体后端反射镜为三角晶格或方形晶格，光子晶体前端反射镜排数较少，取4排左右，为入射腔镜，所设计光子晶体使得拉曼光位于带隙处，泵浦光位于靠近带边的通带处；光子晶体后端反射镜的光子晶体排数较多，为7排以上，对信号光和泵浦光的反射率高。

本发明在脊形波导的两端刻蚀有规则排列的空气孔即光子晶体构成拉曼激光器的结构，这种结构具有以下优势：

1.这种结构具有很大的灵活性，可以通过调整孔的几何尺寸实现对不同波长光的反射，而且孔的排数决定了对应波长的光反射率。

2.在脊形波导的两个端面制作光子晶体来构成激光器的谐振腔，可以不必将波导两个端面抛光、镀膜，减小了工艺的复杂性。

3.激光器谐振腔呈螺旋形，减小了整个器件的尺寸。环形螺旋形腔的品质因子较高，更有利于激光激射。

4.采用二维光子晶体作为反射镜比一维光栅的反射率更高，在一定的角度范围内都有很高的反射率，而且二维光子晶体作为腔镜为该激光器与二维光子晶体的其他器件的集成创造了条件。

5.用光子晶体作为激光器谐振腔的反射镜，光子晶体可以刻蚀在芯片内部，距离边缘一定距离，所以很容易与其他器件集成在一起。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明做一详细的描述，其中：

图1是现有的硅基拉曼激光器的结构俯视图；

图2是光子晶体与脊形波导相结合结构俯视图；

图3是环形脊形波导与光子晶体反射镜结合结构俯视图；

图4是脊形波导及波导两边P-N结的横截面图；

图5是光子晶体与脊形波导相结合构成的硅基拉曼激光器一个端面的立体示意图。

具体实施方式

请参阅图3所示，本发明一种脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，包括：

一SOI材料1；该SOI材料1包括：一硅衬底9；一二氧化硅绝缘层8，该二氧化硅绝缘层8制作在硅衬底9上；一顶层硅7，该顶层硅7制作在二氧化硅绝缘层8上；该二氧化硅绝缘层8的厚度为1-2微米，顶层硅7的厚度为1-5微米；

一脊形波导2，该脊形波导2做在SOI材料1上，该脊形波导2为满足脊形波导的单模条件的单模波导，波导截面为梯形或矩形，整体呈螺旋形或矩形或之字形或其他形状；

一P型硅3，该P型硅3制作在脊形波导2的一侧边；

一N型硅4，该N型硅4制作在脊形波导2的另一侧边；

一光子晶体后端反射镜6，该光子晶体后端反射镜6位于脊形波导2的后端，刻蚀在SOI材料1上；

一光子晶体前端反射镜5，该光子晶体前端反射镜5位于脊形波导2的输入端，刻蚀在SOI材料1上；

该光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6和脊形波导组成激光器的谐振腔，光子晶体对光起到全反射镜的作用。

其中光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6为三角晶格或方形晶格，光子晶体前端反射镜5排数较少，取4排左右，为入射腔镜，所设计光子晶体使得拉曼光位于带隙处，泵浦光位于靠近带边的通带处；光子晶体后端反射镜6的光子晶体排数较多，为7排以上，对信号光和泵浦光的反射率都很高。

制作脊形波导结构的SOI材料1结构由三部分组成，见图4和图5，单晶硅衬底9，二氧化硅绝缘层8，厚度为1-2微米，顶层硅7，厚度3μm。采用光刻和干法刻蚀方法在SOI材料1上制作一螺旋形的脊形波导2。脊形波导结构请参阅图4所示，脊形波导2为矩形截面的大芯径单模波导，也可以是梯形截面的大芯径单模波导，大芯径的脊形波导对输入的泵浦光具有较高的耦合效率，整体呈螺旋形或其他形状。在脊形波导2的两边是一对P-N结，即在脊形波导2两侧分别做成适当区域的P型区硅3和N型区硅4。N型硅2和P型硅3采用离子注入方法形成，在N型硅3和P型硅4上表面镀上电极，形成PN结。

光子晶体前端反射镜5、光子晶体后端反射镜6和脊形波导组成激光器的谐振腔，光子晶体对光起到全反射镜的作用。光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6为三角晶格或方形晶格，光子晶体前端反射镜5排数较少，取4排左右，为入射腔镜，所设计光子晶体使得拉曼光位于带隙处，泵浦光位于靠近带边的通带处；光子晶体后端反射镜6的光子晶体排数较多，7排以上，对信号光和泵浦光的反射率都很高。所述光子晶体的空气孔大小及间距与其工作波长可比拟的，光子晶体的带隙所在波长范围即工作波长与激光器谐振腔的谐振波长为可比拟的。

所述脊形波导与二维光子晶体相结合的便于单片集成的硅基拉曼激光器结构具有可扩展性，光子晶体前端反射镜5处既是泵浦光的输入端，也是信号光的输出端，可以在光子晶体前端反射镜5的外侧加一倾斜45°放置的光子晶体反射镜，可以将信号光反射出与腔的垂直方向，这样便于与其他器件的集成。

光子晶体前端反射镜5的参数满足对泵浦光具有高透射，对信号光具有较高反射的作用，光子晶体后端反射镜6参数满足对泵浦光和输出激光具有高反射作用。两个光子晶体反射镜的制作方法如下：在SOI的顶层硅7上生长200nm左右厚度的SiO₂，在SiO₂上均匀涂覆200nm左右的光刻胶，利用电子束制版方法在光刻胶上在对应于脊形波导的两端面的位置定义图形，然后分别以光刻胶和SiO₂作掩模在顶层硅7上干法刻蚀方法形成光子晶体结构，干法刻蚀方法可以采用反应离子束或感应耦合等离子体刻蚀方法，形成结构如图5所示，黑色圆代表刻蚀的空气孔。作为其中一实例，光子晶体前端反射镜5晶格取为0.26λ，孔径0.08λ，光子晶体后端反射镜6晶格常数0.30λ，孔径0.09λ，空气孔的排列为三角晶格分布，空气孔的深度即为SOI材料顶层硅7的厚度。二维光子晶体与脊形波导的结合方式请参阅图5所示：光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6分别位于脊形波导2的前端面和后端面处，光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6的空气孔的方向垂直于脊形波导2。

本发明的实现过程是：结合参阅图3，图3是本发明实施例的示意图，拉曼激光器开始工作时在P-N结的N型硅3和P型硅4之间加大约20V左右电压，泵浦激光采用Er离子放大器放大的1550nm的半导体激光，功率大约4W，泵浦光从光子晶体前端反射镜5处入射，光子晶体前端反射镜5对泵浦光具有高透射作用，泵浦光进入螺旋形的脊形波导2，脊形波导2的材料硅即为拉曼增益介质，泵浦光激发脊形波导2硅材料得到受激拉曼散射光，当泵浦光到达脊形波导2的另一端面光子晶体后端反射镜6处，光子晶体后端反射镜6对泵浦光具有高反射作用，泵浦光几乎全部被反射回脊形波导2中，在脊形波导2中传播放大，得到更强的受激拉曼散射光，当泵浦光到达光子晶体前端反射镜5处，出射拉曼激光。光子晶体前端反射镜5和后端反射镜6均对脊形波导中的受激拉曼散射光具有高反射作用，光子晶体后端反射镜6对受激拉曼散射光的反射率达到99.99％以上，光子晶体前端反射镜5对受激拉曼散射光具有70％左右的反射，当脊形波导2中介质的增益大于损耗时，受激拉曼散射光在脊形波导2中来回振荡，形成激光在光子晶体前端反射镜5处出射。

激光器的谐振波长取决于脊形波导2的长度，而激光器的两个谐振腔端面对泵浦光和激光的反射率取决于光子晶体前端反射镜5和光子晶体后端反射镜6中空气孔的排数，反射波长取决于空气孔的大小及间隔，我们可以通过几何设计满足器件的工作需要。脊形波导并不限于图3所示弯曲形状，也可以是其他形状，只要满足拉曼增益大于传输光损耗形成激光振荡。

Claims

1、一种脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，包括：

一SOI材料；

一脊形波导，该脊形波导做在SOI材料上；

一P型硅，该P型硅制作在脊形波导的一侧边；

一N型硅，该N型硅制作在脊形波导的另一侧边；

2、根据权利要求1所述的脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，其特征在于，其中SOI材料包括：一硅衬底；一二氧化硅绝缘层，该二氧化硅绝缘层制作在硅衬底上；一顶层硅，该顶层硅制作在二氧化硅绝缘层上。

3、根据权利要求2所述的脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，其特征在于，其中二氧化硅绝缘层的厚度为1-2微米，顶层硅的厚度为1-5微米。

4、根据权利要求1所述的脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，其特征在于，其中脊形波导为满足脊形波导单模条件的单模波导，波导截面为梯形或矩形，整体呈螺旋形或矩形或之字形。

5、根据权利要求1所述的脊形波导与二维光子晶体相结合的硅基拉曼激光器结构，其特征在于，其中光子晶体前端反射镜和光子晶体后端反射镜为三角晶格或方形晶格，光子晶体前端反射镜排数较少，取4排左右，为入射腔镜，所设计光子晶体使得拉曼光位于带隙处，泵浦光位于靠近带边的通带处；光子晶体后端反射镜的光子晶体排数较多，为7排以上，对信号光和泵浦光的反射率高。