[发明专利]基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种混合硅基单纵模环形腔微结构激光器，适于光子光电子集成应用。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

磷化铟和硅的混合激光是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的技术。通常采取带有波导结构的SOI材料与III-V外延材料通过有机材料粘合，去掉InP衬底，然后再进行激光器的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，采用电注入在III-V材料层完成泵浦。这其中键合技术和激光器的单纵模实现非常重要。近几年有人提出基于此混合结构的布拉格分布反馈(DFB)，分布反射(DBR)，分段光栅等激光器，实现了单波长激射，使之适于密集波分复用系统的传输应用；根特大学的研究人员实现了4波长微碟紧凑型激光器。这些激光器还没有商用，主要是因为工艺上还是比较复杂，成本也很高。要实现高速光互连，单纵模激光器是核心器件之一。布拉格分布反馈和分布反射常用的单纵模激光器，这些激光器往往需要全息或电子束等较难或昂贵加工手段，有时还需要二次外延，单片多波长集成很困难。

本发明公开了一种混合硅-III-V族环形腔激光器，适用于硅基光子集成芯片的光源部分。该半导体激光器包括硅基微结构部分和III-V族半导体结构部分，其中硅基部分采用硅/二氧化硅/硅，即所谓SOI(silicon on insulator)结构，此部分做成环形及波导耦合输出形式，并沿着环形波导加上单周期或多周期微结构狭槽，实现横模和纵模控制。III-V族为InGaAlAs/InP系结构直接键合于SOI上，为增益材料，有源区以上同样为环形结构，且与SOI上的环形相匹配。本发明特点在于硅基半导体激光器单模的实现方式，不是采用常规的分布布拉格反馈或反射结构，也不是一般简单的环形结构，而是采用硅基环形结构上刻入周期微结构来实现，容易大规模加工的硅基上周期微结构和倏逝场波导结构来实现光波耦合和单纵模工作，可较普通的环形腔有较高的边模抑制比和较高的功率，并可大幅度降低某一方向的尺寸，满足集成需要。在硅基环形腔上通过新的增强选模机制来实现单纵模工作，而不用引入电子束或全息曝光等技术，有利于降低成本。目前通过微结构和环形腔双重作用实现硅基混合的单纵模激光器还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种混合硅-III-V族新型微结构环形腔单模激光器，该结构在高密度集成，单纵模工作，高效耦合输出，高边模抑制比高功率输出等方面很有优势。更重要的是在工艺加工中省去通常的DFB分布反馈光栅制作及III-V族材料二次外延等工艺步骤，降低复杂性，采用新型的选频机制，利于高质量光源的集成。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于微结构硅波导选频的混合硅单模环形腔激光器，包括：

一硅衬底，该硅衬底为单晶硅材料；

一二氧化硅层，该二氧化硅层制作在硅衬底之上；

一硅环状波导层，该硅环状波导层制作在二氧化硅层之上，该硅环状波导层的平面内开有两条平行的环形空气沟道，该两条环状空气沟道之间为带有周期微结构的环状脊形条；在两条环形空气沟道的一侧切向开有两条直空气沟道，形成耦合输出；

一键合缓冲层，其制作在硅波导层上；

一N型接触层，其制作在键合缓冲层之上；

一N型电极，其制作在N型接触层之上的中间，该N型电极由环状部分和方形焊线部分连接而成，该环状部分内边缘与环形空气沟道的外环外边缘相切；

一环状量子阱有源区，该环状量子阱有源区制作在N型电极的环状部分之内，N型接触层之上，形状与环状脊形条相同；

一P型环状接触层，其制作在环状量子阱有源区之上；

一P型环状盖层其制作在P型环状接触层之上；

一环状P型电极，其制作在环状P型盖层之上。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于倏逝场耦合及微结构环形腔选频的混合硅单纵模激光器，利用倏逝场实现光波的耦合输出，减少反射能量损失，有利于提高激光器效率。