基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，包括硅基微环芯片，所述硅基微环芯片上设有直通硅波导和微环，所述硅基微环芯片上对应直通硅波导两端的位置处分别键合有主激光器芯片和从激光器芯片，所述直通硅波导的两端分别与主激光器芯片和从激光器芯片耦合；所述微环位于直通硅波导的一侧，所述微环的上方键合有磁光芯片，所述磁光芯片用于在通电时产生磁场使微环出现非互易相移特性。本发明专利技术中，利用电磁场作用下微环结构的非互易相移特性实现主从激光器之间光隔离功能，实现异构集成单芯片单向光注入锁定激光器，解决了目前单向注入锁定激光器耦合难、效率低、封装成本高、体积大等难题。体积大等难题。体积大等难题。

【技术实现步骤摘要】
基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器


[0001]本专利技术属于半导体激光器
，涉及一种基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器。

技术介绍

[0002]注入锁定半导体激光器利用主从激光器的注入锁定效应，可以压窄终端激光的光谱宽度、提升频率稳定性、改善频率响应特性，在超冷原子物理、数字光通信、量子光通信、光传感等诸多领域均有重要应用。
[0003]注入锁定通常有两种情况，一种是外腔注入(自注入)，一种是主从式注入。对于主从式注入锁定，从激光器被锁定在主激光器的频率上，是单向的注入。主从激光器之间需要光隔离器，避免主从激光器的相互注入。这一点在量子光通信中尤为重要，可以保证主激光器的相位随机性与终端激光的稳定性。而目前实现半导体激光器的单向注入锁定多基于分立元器件，在主从激光器间加入光环形器实现单向注入。或者在两个半导体激光芯片之间加入空间光隔离器实现单向注入。利用分立元器件实现单向注入锁定，需要主从激光器及光环形器，增加了激光器的复杂性。利用两个半导体激光芯片间植入光隔离器实现单向注入，还需要微光学集成系统实现两芯片光路耦合，耦合系统复杂且耦合难度高。
[0004]由于现有传统单向注入锁定激光器仍依赖于微光学方案实现，光隔离依赖于空间光隔离器(别于芯片级的隔离器)实现。耦合难度大、效率低、时间周期长，体积功耗大，且最终成品因为内部光学元件多，抗震动特性差。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，用于解决现有技术中注入锁定激光器体积大、集成复杂等问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，包括硅基微环芯片，所述硅基微环芯片上设有直通硅波导和微环，所述硅基微环芯片上对应直通硅波导两端的位置处分别键合有主激光器芯片和从激光器芯片，所述直通硅波导的两端分别与主激光器芯片和从激光器芯片耦合；所述微环位于直通硅波导的一侧，所述微环的上方键合有磁光芯片，所述磁光芯片用于在通电时产生磁场使微环出现非互易相移特性。
[0008]进一步的，所述硅基微环芯片的材料为绝缘体上硅或Si3N4。
[0009]进一步的，所述主激光器芯片和从激光器芯片为
Ⅲ‑Ⅴ
族材料激光器芯片或
Ⅲ‑Ⅴ
族材料增益芯片。
[0010]进一步的，所述主激光器芯片和从激光器芯片为同一个Bar条上的芯片。
[0011]进一步的，所述主激光器芯片和从激光器芯片通过直接对准耦合、倏逝波耦合、光栅耦合或光子线耦合的方式与直通硅波导耦合。
[0012]进一步的，在硅基微环芯片上设有深度同激光器芯片发光高度匹配的安装槽，所
述主激光器芯片和从激光器芯片键合在安装槽中。
[0013]进一步的，所述直通硅波导的一端设有第一模斑转换器，另一端设有第二模斑转换器，所述主激光器芯片与第一模斑转换器耦合，所述从激光器芯片与第二模斑转换器耦合。
[0014]进一步的，所述磁光芯片采用拥有高磁光系数，且针对工作波长损耗低，易于同硅光芯片集成的材料。
[0015]进一步的，所述微环的直径为50μm～200μm。
[0016]进一步的，所述直通硅波导与微环之间的间隔为50nm～500nm。
[0017]本专利技术中，通过在设有微环结构的硅基芯片上集成激光器芯片和高磁光系数材料的磁光芯片，利用电磁场作用下微环结构的非互易相移特性实现主从激光器之间光隔离功能，实现异构集成单芯片单向光注入锁定激光器，解决了目前单向注入锁定激光器耦合难、效率低、封装成本高、体积大、不易集成、抗震动特性差等难题。
附图说明
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0019]图1为本专利技术基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器的一个优选实施例的结构示意图。
[0020]图2为基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器的工作原理图。
[0021]图3为在硅基微环芯片上开设安装槽使主激光器芯片与直通硅波导直接对准耦合时的结构示意图。
[0022]图4为微环和磁光晶体集成后的俯视示意图。
[0023]图5为微环和磁光晶体集成后的横截面示意图。
[0024]图6为光强在实现光隔离功能的微环中传输的示意图。
[0025]图7为实现非互易相移的原理图。
[0026]图8为注入锁定激光器消光比测试图。
[0027]图中：1.硅基微环芯片，3.磁光芯片，11.第一模斑转换器，12.第二模斑转换器，13.直通硅波导，14.安装槽，15.微环，20.发光区，21.主激光器芯片，22.从激光器芯片，31.SGGG基材，32.YIG材料，33电极。
具体实施方式
[0028]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0029]如图1和图2所示，本专利技术基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器的一个优选实施例包括硅基微环芯片1，所述硅基微环芯片1为在1310nm和1550nm波长处低损耗的波导，所述硅基微环芯片1的材料为绝缘体上硅(SOI，Silicon
‑
on
‑
insulator)或Si3N4，优选为采用SOI，所述SOI包括SiO2衬底和Si层。所述硅基微环芯片1上设有直通硅波导13和微环15，所述直通硅波导13的宽度为0.3μm～0.8μm，厚度为0.15μm～0.4μm。所述硅基微环芯片1
上对应直通硅波导13两端的位置处分别键合有主激光器芯片21和从激光器芯片22，所述主激光器芯片21和从激光器芯片22可以是同一个Bar条(在同一基底同时构建一系列半导体激光器单管而形成)上的芯片，也可以是单独的两个芯片；所述主激光器芯片21和从激光器芯片22可以是DFB(分布式布拉格反射激光器)、DBR(分布式反馈激光器)、VCSEL(垂直腔面发射激光器)或微环15激光器等
Ⅲ‑Ⅴ
族材料激光器芯片，也可以是
Ⅲ‑Ⅴ
族材料增益芯片。
[0030]所述直通硅波导13的两端分别与主激光器芯片21和从激光器芯片22耦合；所述主激光器芯片21和从激光器芯片22可通过直接对准耦合、倏逝波耦合、光栅耦合或光子线耦合等方式与直通硅波导13耦合，优选为采用直接对准耦合的方式。如图3所示，为保证主激光器与第一模斑转换器11对准的同时，从激光器也与第二模斑转换器12对准。直接对准耦合的具体实现方式优选为：在硅基微环芯片1上刻蚀出安装槽14，安装槽14深度与激光器芯片发光高度匹配，优选为50μm～110μm；所述主激光器芯片21和从激光器芯片22均键合在安装槽14中，且所述主激光器芯片21的发光区20与第一模斑转换器11对准，所述从激光器芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，其特征在于，包括硅基微环芯片，所述硅基微环芯片上设有直通硅波导和微环，所述硅基微环芯片上对应直通硅波导两端的位置处分别键合有主激光器芯片和从激光器芯片，所述直通硅波导的两端分别与主激光器芯片和从激光器芯片耦合；所述微环位于直通硅波导的一侧，所述微环的上方键合有磁光芯片，所述磁光芯片用于在通电时产生磁场使微环出现非互易相移特性。2.根据权利要求1所述的基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，其特征在于，所述硅基微环芯片的材料为绝缘体上硅或Si3N4。3.根据权利要求1所述的基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，其特征在于，所述主激光器芯片和从激光器芯片为
Ⅲ‑Ⅴ
族材料激光器芯片或
Ⅲ‑Ⅴ
族材料增益芯片。4.根据权利要求1所述的基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，其特征在于，所述主激光器芯片和从激光器芯片为同一个Bar条上的芯片。5.根据权利要求1所述的基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯琛，廖苗苗，周帅，刘尚军，段利华，张靖，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十四研究所，
类型：发明
国别省市：