混合集成可调谐激光器及光子芯片制造技术

本公开提供一种混合集成可调谐激光器及光子芯片，该混合集成可调谐激光器包括：半导体光放大器，用于发出光并使所传输的光获得增益；硅基锥形耦合波导，与半导体光放大器键合相连，通过两端的锥形波导结构产生模场分布变化使所传输光进行光场耦合；第一硅基多模干涉反射镜和第二硅基多模干涉反射镜，分别设置于所述激光器的两端，用于使光在激光器内来回反射传导，进而经半导体光放大器的作用获得增益。所述光子芯片，由上述混合集成可调谐激光器与其它半导体功能器件集成而得，其器件尺寸小，可集成度高，且更容易实现大范围和高精度的宽带可调谐。

Hybrid integrated tunable laser and photonic chip

A hybrid integrated tunable laser and a photonic chip are provided. The hybrid integrated tunable laser comprises a semiconductor optical amplifier for emitting light and gaining the transmitted light; a silicon-based tapered coupled waveguide bonded to a semiconductor optical amplifier to generate a mode field through a tapered waveguide structure at both ends. The first silicon-based multimode interferometer mirror and the second silicon-based multimode interferometer mirror are respectively arranged at the two ends of the laser to enable the light to be reflected and transmitted back and forth in the laser and then gain by the semiconductor optical amplifier. The photonic chip is obtained by integrating the hybrid integrated tunable laser with other semiconductor functional devices. The device has small size, high integration degree, and is easier to realize wide-range and high-precision broadband tunability.

【技术实现步骤摘要】
混合集成可调谐激光器及光子芯片
本公开涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种混合集成可调谐激光器及光子芯片，可应用于光互连、光交换、光传感等领域。
技术介绍
随着人们对信息和通信要求的不断提高，可调谐激光器逐渐成为光通信系统中不可缺少的器件。它不但可以应用在波分复用系统中作为备份的光源来节约维修时间和成本，而且可以应用在通信系统中任何需要波长转变的地方，如波分复用系统中的数据路由、可重构光通信网络等。实现可调谐激光器的方案有多种，如DBR型半导体激光器结构、DFB型半导体激光器、面发射激光器，其中一个重要方案是将半导体光放大器芯片与一个外腔反馈元件组合的方式构成外腔激光器。外腔可调谐激光器相较于传统的面发射激光器和分布反馈激光器来说可以提供更宽的调谐范围和更窄的线宽。但是传统的外腔可调谐激光器通常要求体积庞大的光学系统和机械控制，并不满足光通信系统对可调谐激光器体积小、低成本的要求。无源光子集成技术可以用微纳光子结构给III-V族增益材料提供外部反馈实现波长调谐。在众多光子集成平台中，硅光子集成技术由于和CMOS工艺线有天然的兼容性、硅与二氧化硅之间折射率差大等优势，可以把器件做得十分紧凑并且成本较低。目前国内外已经报道了多种硅基可调谐激光器，这些硅基可调谐激光器都包括半导体光放大器、相移器、环形谐振器和一个环形反射镜或者布拉格反射镜，并利用端面耦合或者键合技术实现混合集成。但是这些硅基可调谐激光器结构里环形反射镜由于采用环形结构，需要比较大的弯折半径来减小光损耗，所以尺寸比较大；布拉格反射镜对工艺要求高，且不同波长反射率差异比较大，不利于实现宽带可调谐。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供一种混合集成可调谐激光器及光子芯片，以缓解现有技术中可调谐激光器及光子芯片器件尺寸大，对工艺要求高，实现宽带可调谐困难，外接其它功能器件的集成端口少等技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种混合集成可调谐激光器，包括：半导体光放大器，用于发出光并使所传输的光获得增益；硅基锥形耦合波导，与半导体光放大器键合相连，通过两端的锥形波导结构产生模场分布变化使所传输光进行光场耦合；第一硅基多模干涉反射镜和第二硅基多模干涉反射镜，分别设置于所述激光器的两端，用于使光在激光器内来回反射传导，进而经半导体光放大器的作用获得增益。在本公开的一些实施例中，所述混合集成可调谐激光器还包括：硅基相移器，与硅基锥形耦合波导相连，用于调节光的相位，该相移器包括一硅波导和设置在其表面的加热电极；硅基环形谐振器，其与硅基相移器相连，包括：第一环形硅波导和设置于其表面的第一环形微加热电极；以及第二环形硅波导和设置于其表面的第二环形微加热电极；所述硅基环形谐振器通过环形硅波导结构和设置于表面的微加热电极所产生的温度变化实现波长的选定及调谐。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述第一硅基多模干涉反射镜，包括：第一多模干涉自成像波导；其一侧的两个截面互相垂直；以及第一锥形波导，呈锥形，其较宽一侧与所述第一多模干涉自成像波导耦接，所述第二硅基多模干涉反射镜，用于光束的传导和反射，包括：第二多模干涉自成像波导；以及第二锥形波导，呈锥形，其较宽一侧与所述第二多模干涉自成像波导耦接；在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述半导体光放大器为纺锤形或长条形结构，由半导体增益材料制成，所述增益材料包括：GaAs基、InP基或GaSb基的量子阱、量子点或纳米线材料制成。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述硅基锥形耦合波导是两端为锥形的硅波导，与半导体光放大器通过键合技术相连。所述键合技术包括：直接键合、金属键合、BCB胶键合和/或介质键合。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述第一环形硅波导和第二环形硅波导串联连接，且环形半径尺寸不同。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述第一环形微加热电极和第二环形微加热电极的电极制成材料为Ni、Ti、Au、Pt和TiN中一种或组合。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述第一多模干涉自成像波导和第二多模干涉自成像波导，其一侧的两个截面互相垂直，两个截面向外侧突出且分别与所述多模干涉自成像波导的中轴线呈45°角。在本公开的一些实施例中，所述的混合集成可调谐激光器，其中，所述第一硅基多模干涉反射镜和第二硅基多模干涉反射镜，其中之一至少包含两个锥形硅波导，另一个至少包含一个锥形硅波导。根据本公开的另一个方面，提供一种光子芯片，包括以上所述任一项所述的混合集成可调谐激光器；以及另一半导体功能器件；所述半导体功能器件至少为硅基光栅耦合器、硅基调制器、硅基探测器、硅基光交换阵列、硅基路由器、硅基光开关中的一种。其中，所述混合集成可调谐激光器和所述另一半导体功能器件集成得到所述光子芯片，用于实现光互连、光交换和/或光传感功能。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开混合集成可调谐激光器及光子芯片至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)半导体光放大器是采用键合技术将增益材料集成到光子芯片上，因此不需要额外的、独立的光源，配合设置的双硅基多模干涉反射镜，使此光子芯片结构更完整，功能更全面。(2)相较于设置单个硅基多模干涉反射镜的激光器而言，可以在两个反射镜处都设置输出端口并外接其它半导体功能器件，在设计光子芯片时可以更灵活；(3)通过硅基环形谐振器可以实现窄线宽激光输出，且通过其上的微加热电极改变环形谐振器的共振条件实现波长可调。(4)硅基环形谐振器包括串联的具有不同半径的两个环型波导，调谐范围大。(5)利用硅基多模干涉反射镜结构，此结构对较大波长范围内的光的反射率和传输率相差较小。(6)硅基多模干涉反射镜不需要额外的结构如定向耦合器等就可以通过输出波导输出激光，让激光进入后续的其它半导体功能器件，也从另一方面有益于减小尺寸。(7)采用CMOS工艺的硅基多模干涉反射镜有助于实现大的调谐范围、紧凑的器件分布和较低的制造成本。(8)该混合集成可调谐激光器及光子芯片，有尺寸小、易集成、成本低和波长调谐精度高等优点，在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。且半导体光放大器和单片硅基光子芯片可分别借助激光器的平面化工艺和COMS工艺线完成，对器件各部分的形貌控制有保证。附图说明图1为本公开实施例的混合集成可调谐激光器的平面结构示意图。图2为本公开实施例的硅基相移器及硅基环形谐振器的三维结构示意图。图3为本公开实施例的硅基多模干涉反射镜的三维结构示意图。图4为本公开实施例的光子芯片的平面结构示意图。图5为本公开实施例中硅基多模干涉反射镜工作时，对波长1550纳米附近光场的反射谱和传输谱。图6为本公开实施例中硅基环形谐振器在波长1550纳米附近的传输谱。图7为本公开实施例中硅基环形谐振器温度每升高10℃引起的波长调谐图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】100-混合集成可调谐激光器；110-半导体光放大器；120-硅基锥形耦合波导；130-硅基相移器；131-加热电极；140-硅基环形谐振器；141-第一环形硅波导；142-第二环形硅波导；143-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合集成可调谐激光器(100)，包括：半导体光放大器(110)，用于发出光并使所传输的光获得增益；硅基锥形耦合波导(120)，与半导体光放大器键合相连，通过两端的锥形波导结构产生模场分布变化使所传输光进行光场耦合；第一硅基多模干涉反射镜(150)和第二硅基多模干涉反射镜(160)，分别设置于所述激光器的两端，用于使光在激光器内来回反射传导，进而经半导体光放大器(110)的作用获得增益。

【技术特征摘要】
1.一种混合集成可调谐激光器(100)，包括：半导体光放大器(110)，用于发出光并使所传输的光获得增益；硅基锥形耦合波导(120)，与半导体光放大器键合相连，通过两端的锥形波导结构产生模场分布变化使所传输光进行光场耦合；第一硅基多模干涉反射镜(150)和第二硅基多模干涉反射镜(160)，分别设置于所述激光器的两端，用于使光在激光器内来回反射传导，进而经半导体光放大器(110)的作用获得增益。2.根据权利要求1所述的混合集成可调谐激光器(100)，还包括：硅基相移器(130)，与硅基锥形耦合波导(120)相连，用于调节光的相位，该相移器包括一硅波导和设置在其表面的加热电极(131)；硅基环形谐振器(140)，其与硅基相移器(130)相连，包括：第一环形硅波导(141)和设置于其表面的第一环形微加热电极(143)；以及第二环形硅波导(142)和设置于其表面的第二环形微加热电极(144)；其中，所述硅基环形谐振器(140)通过环形硅波导结构和设置于表面的微加热电极所产生的温度变化实现波长的选定及调谐。3.根据权利要求1所述的混合集成可调谐激光器(100)，其中：所述第一硅基多模干涉反射镜(150)，包括：第一多模干涉自成像波导(151)，其一侧的两个截面互相垂直；以及第一锥形波导(152)，呈锥形，其较宽一侧与所述第一多模干涉自成像波导(151)耦接；所述第二硅基多模干涉反射镜(160)，用于光束的传导和反射，包括：第二多模干涉自成像波导(161)；以及第二锥形波导(162)，呈锥形，其较宽一侧与所述第二多模干涉自成像波导(161)耦接。4.根据权利要求3所述的混合集成可调谐激光器(100)，其中，所述第一多模干涉自成像波导(151)和第二多模干...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，马丕杰，董风鑫，刘安金，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11