[发明专利]一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。

背景技术

在传统电互连系统中，随着芯片特征尺寸的减小，芯片间的信息传输速度受限于RC(resistance-capacitance,阻容)效应，系统也面临带宽受限和功耗增加的难题，这已经逐渐成为提升计算机系统性能的瓶颈。

为此，人们提出了光互连的解决办法，在光互连技术中比较有前景的为硅基光互连技术。与InP(IndiumPhosphide,磷化铟)基光互连相比，硅基光互联的材料成本较低，而且能够与CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容。但是，由于硅材料无法直接发光，因此集成光源的制备是硅基光互联技术目前面临的主要难题之一；尤其在通信应用中，为提高通信容量人们常采用多路复用技术，因此多波长输出的硅基激光器成为高速率宽带数据传输的核心器件。

目前集成多波长硅基激光器一般采用III-V/Si键合激光器和III-V/Si倒装焊激光器。但是，上述两种激光器分别存在以下优缺点：

(1)硅基键合激光器的优点在于III-V族芯片与硅基芯片对准工艺难度较低，激光器的制作多采用晶圆级对准。但它也有明显的缺点，由于III-V族晶圆有源区的增益谱覆盖的波长有一定的范围，因此多波长键合激光器的输出通道数目受到限制，进而使带宽也受到限制。

(2)与硅基键合激光器相比，硅基倒装焊激光器的优点在于它采用芯片级对准，很容易将多个不同有源层结构的III-V族光源芯片集成到同一个硅芯片上，并与多个硅波导直接耦合，从而产生硅基多波长激光输出，激光器波长覆盖范围不受单个III-V族芯片增益谱覆盖范围的限制。另外，硅基倒装焊激光器能够对III-V族有源芯片的性能进行仔细的挑选和优化，因此输出激光的综合性能较高。但是，目前硅基倒装焊激光器的缺点是：III-V族光源芯片和硅基芯片内部模场不匹配，因此III-V族光源芯片和硅芯片之间光耦合损耗过大。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：提供一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。本发明将多个输出中心波长不同的光源芯片集成于一体，光源芯片输出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑变换器中，并经过谐振器形成腔振荡，最终在硅波导中输出高效率和宽谱范围的激光。

为达到以上目的，本发明提供的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，包括硅衬底层，硅衬底层上表面分为绝缘区和光源区，光源区上刻蚀大于100nm的厚度形成光源面，光源面上设置有M个输出中心波长不同的III-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片，M≥2；所述绝缘区的上面覆有绝缘层，绝缘层的上面覆有顶层硅；

每个所述光源芯片均包括从下至上依次覆盖的N型电极层、N型衬底层、N型限制层、N型波导层、有源层、P型限制层和P型盖层；P型限制层和P型盖层整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构，Q≥1，单个波导结构由凸起的脊型波导结构和凸起的输出波导结构对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构；

所述波导结构与邻近的台面结构之间、以及所有台面结构上面均覆有电绝缘层；所有波导结构和电绝缘层上面均覆有P型电极层；所述光源芯片整体倒置于硅衬底层的光源面上；

所述顶层硅包括M·Q个模斑变换器和M·Q个谐振器，每个模斑变换器均位于顶层硅邻近光源芯片的侧部，模斑变换器与光源芯片中的输出波导结构一一对应；每个模斑变换器的输入端与对应的输出波导结构在水平方向和垂直方向上对准，每个模斑变换器的输出端通过硅波导与1个谐振器的输入端相连，谐振器的输出端设置有硅波导；每个模斑变换器上面均覆有低折射率层。

在上述技术方案的基础上，所述N型波导层的厚度大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。

在上述技术方案的基础上，所述有源层的结构为量子阱、量子线或量子点，有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片采用不同的有源层，相邻光源芯片的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。

在上述技术方案的基础上，所述脊型波导结构的宽度满足光源芯片输出单横模的条件。

在上述技术方案的基础上，所述输出波导结构为直波导、倾斜波导或弯折波导。