硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片制造技术

一种硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，所述激光器包括依次设置的半导体光放大器、硅基模斑变换器、热调硅基环形谐振器及硅基相移器和双端口硅基多模干涉反射镜。所述双端口硅基多模干涉反射镜包括输入波导、输出波导、多模波导，以及分别将输入波导、输出波导与所述多模波导一端连接的锥形波导，所述输入波导连接到所述热调硅基双环谐振器的输出端，所述多模波导的另一端具有两个与波导轴向成45°的刻蚀面，两个刻蚀面垂直相交处位于所述多模干涉自成像波导的轴线上；所述激光器和其他硅基功能器件组成光子芯片。本发明专利技术的可调谐激光器及光子芯片具有尺寸小、成本低的优点，易于集成，在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。

Silicon based hybrid integrated tunable laser and photonic chip

【技术实现步骤摘要】
硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片
本专利技术涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种硅基混合集成可调谐激光光源及光子芯片，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，光通信系统要求体积小、低成本的可调谐激光器。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、双环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。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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的是提供一种硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：作为本专利技术的一方面，提供一种硅基混合集成可调谐激光器，包括：半导体光放大器；热调硅基环形谐振器及硅基相移器，其中，所述热调硅基环形谐振器连接到所述硅基相移器的输出端，所述硅基相移器耦合到所述半导体光放大器的输出端；双端口硅基多模干涉反射镜，位于所述热调硅基双环谐振器的输出端；其中，所述双端口硅基多模干涉反射镜包括输入波导、输出波导、多模波导、以及分别将输入波导、输出波导与所述多模波导一端连接的锥形波导，其中：所述输入波导连接到所述热调硅基双环谐振器的输出端，所述多模波导不与锥形波导连接的另一端具有两个与波导轴向成45°的刻蚀面，两个所述刻蚀面垂直相交处位于所述多模波导的轴线上。优选地，所述热调硅基环形谐振器包括串联的第一单环谐振器和第二单环谐振器，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器的半径不同。优选地，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器均包括环形硅波导和所述环形硅波导上方设置的环形微加热电极，所述环形微加热电极材料选白Ti、Au或TiN。优选地，所述硅基相移器为一段上方设置加热电极的硅波导。优选地，所述硅基相移器通过模斑变换器端面耦合到所述半导体光放大器，所述模斑变换器选自全硅基模斑变换器、或硅/氮(氧)化硅材料组成的模斑变换器、或硅/聚合物材料组成的模斑变换器。优选地，所述半导体光放大器为脊型结构，材料为对硅材料波长透明的半导体材料，优选为GaAs基、InP基及GaSb基的量子阱、量子点或纳米线材料。优选地，所述半导体光放大器的输出端端面处镀有反射率小于0.1％的介质膜，另一端端面镀有反射率大于95％的介质膜。作为本专利技术的另一方面，提供一种硅基混合集成光子芯片，包括如上所述的硅基混合集成可调谐激光器和其他硅基功能器件，所述其他硅基功能器件包括设置于所述硅基多模干涉反射镜输出端的硅基光栅耦合器、硅基调制器、硅基探测器、硅基光交换阵列、硅基路由器和硅基光开关中的一种或几种。优选地，所述硅基调制器为马赫曾德尔干涉仪型硅基调制器、或环形谐振器硅基调制器，所述硅基探测器可以是硅基锗探测器、或硅基III-V族半导体探测器。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，通过高Q值的热调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，所述热调硅基环形谐振器包括具有不同环半径的串联的第一单环谐振器和第二单环谐振器，调谐范围大。2、本专利技术的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，其中利用了双端口硅基多模干涉反射镜结构，能对大波长范围内光反射率和传输率相差不大；基于硅基上的波导结构具有尺寸小的特点，且本专利技术的双端口硅基多模干涉反射镜不需要额外的结构如其他耦合器就可以通过输出波导在片上输出激光，让激光进入后续的硅基功能器件，也从另一方面有益于减小尺寸。3、本专利技术的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，有尺寸小，成本低的优点，易于集成，在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。且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所保证。附图说明图1为本专利技术一实施例的的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片的俯视结构示意图；图2为本专利技术一实施例的双端口多模干涉反射镜的三维结构图；图3为本专利技术一实施例的热调硅基双环谐振器及硅基相移器的三维结构图；图4为本专利技术实施例1中双端口多模干涉反射镜工作时，对1550nm波段光场的反射和传输图；图5为本专利技术实施例1中热调硅基双环谐振器对1550nm波段光的选择光谱图；图6为本专利技术实施例1中可调谐激光器的环形波导温度每升高十度引起的波长调谐图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。请参阅图1-3，图1是本专利技术的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片的结构示意图，图2是本专利技术的双端口硅基多模干涉反射器的三维结构示意图，图3是本专利技术的热调硅基双环谐振器的三维结构示意图。本专利技术提供的硅基混合集成可调谐激光器包括：半导体光放大器1、双端口多模干涉反射镜2、热调硅基双环谐振器及硅基相移器3和模斑变换器5。利用2端口硅基多模干涉反射镜解决光的反馈和传输问题，利用热调硅基双环谐振器实现波长的选择，利用微加热电极实现波长的调谐。利用相移区实现谐振器纵模与热调硅基双环谐振器选出的波长相匹配。最终实现用于光子集成芯片的宽带可调谐硅基混合集成可调谐激光器；多模干涉反射镜相较于环形反射镜来说，有着尺寸小和反射谱宽的优点；相较于布拉格反射镜来说，有着工艺要求低且对波长不敏感的优势；利用CMOS工艺可以实现大的调谐范围、小巧的尺寸和较低的生产成本。其中，半导体光放大器1是一个两面镀膜的增益半导体芯片，采用脊型结构，其材料体系可涵盖所有对于硅材料波长透明的半导体材料，如GaAs基、InP基及GaSb基的量子阱、量子点和纳米线材料；所述半导体光放大器1的输出端通过模斑变换器和热调硅基双环谐振器及硅基相移器3端面耦合，其靠近硅基模斑变换器5的输出端面镀高透过率的介质膜(反射率通常小于0.1％)，另一侧端面镀近乎全反射的介质膜(反射率大于95％)。所述的硅基模斑变换器5为渐变波导以减小光从半导体光放大器到硅波导的耦合损耗，可以是全硅基模斑变换器、或硅/氮(氧)化硅材料组成的模斑变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基混合集成可调谐激光器，其特征在于，包括：半导体光放大器；热调硅基环形谐振器及硅基相移器，其中，所述热调硅基环形谐振器连接到所述硅基相移器的输出端，所述硅基相移器耦合到所述半导体光放大器的输出端；双端口硅基多模干涉反射镜，位于所述热调硅基双环谐振器的输出端；其中，所述双端口硅基多模干涉反射镜包括输入波导、输出波导、多模波导，以及分别将输入波导、输出波导与所述多模波导一端连接的锥形波导，其中：所述输入波导连接到所述热调硅基双环谐振器的输出端，所述多模波导不与锥形波导连接的另一端具有两个与波导轴向成45°的刻蚀面，两个所述刻蚀面垂直相交处位于所述多模波导的轴线上。

【技术特征摘要】
1.一种硅基混合集成可调谐激光器，其特征在于，包括：半导体光放大器；热调硅基环形谐振器及硅基相移器，其中，所述热调硅基环形谐振器连接到所述硅基相移器的输出端，所述硅基相移器耦合到所述半导体光放大器的输出端；双端口硅基多模干涉反射镜，位于所述热调硅基双环谐振器的输出端；其中，所述双端口硅基多模干涉反射镜包括输入波导、输出波导、多模波导，以及分别将输入波导、输出波导与所述多模波导一端连接的锥形波导，其中：所述输入波导连接到所述热调硅基双环谐振器的输出端，所述多模波导不与锥形波导连接的另一端具有两个与波导轴向成45°的刻蚀面，两个所述刻蚀面垂直相交处位于所述多模波导的轴线上。2.根据权利要求1所述的硅基混合集成可调谐激光器，其特征在于，所述热调硅基环形谐振器包括串联的第一单环谐振器和第二单环谐振器，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器的半径不同。3.根据权利要求2所述的硅基混合集成可调谐激光器，其特征在于，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器均包括环形硅波导和所述环形硅波导上方设置的环形微加热电极，所述环形微加热电极材料选自Ti、Au或TiN。4.根据权利要求1所述的硅基混合集成可调谐激光器，其特征在于，所述硅基相移器为一段上方设置加热电极的硅波导。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，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