[发明专利]硅基半导体超短脉冲激光器

说明书

技术领域

本发明硅基发光器件技术领域，特别是涉及一种硅基半导体超短脉冲激光器。

背景技术

硅衬底具有低成本、大面积、高质量、高强度、导电导热性能好等优点，是微电子集成电路工艺的主要材料，在超大规模集成电路方面发挥着极为重要的作用。而III-V族材料是目前最重要的光电子、高功率和高速器件材料。把这两种异质半导体材料集成起来，具有广阔的应用前景，是半导体工作者多年的梦想。众多的科研机构在与标准集成电路工艺兼容的硅基光学器件方面开展了广泛而深入的研究工作，已经取得了显著的研究成果，但是仍然有许多关键技术尚未获得重大突破。

随着标准集成电路工艺特征尺寸的迅速减小，器件的密度显著提高，费用进一步降低。然而，电学互连线上的能量损耗及电磁干扰已经成为制约硅基微电子集成电路发展的瓶颈。光互连依据其在传输带宽、抗干扰能力及能量消耗上的明显优势，有望成为解决这一问题的有效途径。如果采用成熟的标准集成电路工艺制作，然后外延生长III-V族材料，在此基础上可以采用成熟的标准集成电路工艺制作光电子器件和光电子集成回路，在成本上和工艺成熟度上具有无可比拟的优势。将极大地提高器件的性能，同时降低了成本。除了光互联外，光电子集成的另外一个重大的应用领域是光纤通讯，目前价格昂贵的光电子组件和光学模块一直只限于应用在高性能和长距离光通信系统中。随着光通信技术的迅速发展，城域网、局域网、接入网和光互连等对高性能光电子组件和模块的需求在飞速增长，要求光电子模块必须有高的工作性能、低廉的价格、高的可靠性、高的集成化水平，而其中价格是影响光通信网络发展和普及的重要因素。尤其对接入网，它直接面对用户，低廉的造价成为光网络得以普及的关键因素。而以上目标得以实现的前提就是硅基光学器件的突破。

目前的半导体超短脉冲激光器大部分在InP和GaAs衬底上实现，在GaAs和InP基上的超短脉冲激光器已经趋于成熟，如Gerrit Fiol等人利用InAs量子点作为有源区，在GaAs衬底上完成了放大区和可饱和吸收体集成的超短脉冲激光器。重复频率达40GHz，脉宽为1-2ps。(参见文献：Gerrit Fiol，et.al.，“Quantum-Dot Semiconduetor Mode-LockedLasers and Amplifiers at40GHz”，IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，VOL.45，NO.11，NOVEMBER2009)。

如果能将III-V族半导体超短脉冲激光器和硅衬底结合起来，将会在光电子集成领域取得突破，并获得广泛应用，然而到目前为止，还没有见过硅基半导体超短脉冲激光器的文献报道和专利。目前，超短脉冲激光器的专利主要集中在可饱和吸收体和放大模块分离的传统结构的改造和创新，有以下一些主要专利：

专利号：CN201010188735.3，超短脉冲激光系统和产生飞秒或皮秒脉冲的方法。

专利号：CN91100431.9，宽带可调谐超短脉冲激光系统。

专利号：CN200910029722.9双波长超短脉冲输出的被动锁模光纤激光器。

专利：CN00105431.7，超短脉冲啁啾光参量激光器。

专利：CN201220090274.0，一种全光纤超短激光脉冲放大器。

专利：CN201110276463.7，高重复频率被动锁模超短脉冲全光纤激光器。

专利：CN200910231681.1，全正色散腔锁模全光纤激光器。

上述专利都是基于可饱和吸收体和放大模块分离的传统结构的改造和创新，设备体积较大，价格昂贵，没法做到微电子和光电子的光电高度集成。目前还没有专利技术解决了硅基超短脉冲激光器的制备和集成问题，而正是这个问题制约了超短脉冲激光器在微电子和通信领域的进一步发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种硅基半导体超短脉冲激光器，可以很好地解决目前半导体超短脉冲激光器主要以GaAs或InP为衬底，无法和硅基微电子集成的问题。

本发明提供一种硅基半导体超短脉冲激光器，包括：

一硅衬底、一缓冲层、一下光限制包层、一下势垒、一有源层、一上势垒、一上光限制包层和一欧姆接触层；

其中该缓冲层、下光限制包层、下势垒、有源层、上势垒、上光限制包层和欧姆接触层依次制作在硅衬底上；

所述下光限制包层、下势垒、有源层、上势垒、上光限制包层和欧姆接触层为半导体激光器外延结构；