[实用新型]基于圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的电驱动激光器

说明书

本实用新型公开了一种基于圆环形光子晶体纳米梁谐振腔的电驱动激光器。该激光器由下至上依次包括Si基衬底、热氧化SiO₂层、Si波导、BCB层、SiO₂层、P掺杂层、有源区、N掺杂层、SiO₂包覆层；所述Si基衬底、所述热氧化SiO₂、所述Si波导共同构成SOI波导结构；所述P掺杂层、所述有源区、所述N掺杂层共刻出纳米梁谐振腔；所述P掺杂层上部在纳米梁谐振腔两侧镀有与Si波导平行的条状上电极，所述纳米梁谐振腔上部沿Si波导方向两端镀有下电极。本实用新型利用圆环形光子晶体纳米梁作为激光器的谐振腔，通过进一步减小光互连VCSEL有源区体积以提高激光器高速和低能耗性能。

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，具体涉及一种进一步提高光互连激光器高速性能和低能耗性能的电驱动激光器。

背景技术

激光器是光互连的核心元件。如何获得更小体积、更高调制速度以及更低能耗的激光器是该领域发展的关键技术。目前高速低能耗的激光器主要是垂直腔面发射激光器(VCSEL)，应用于大数据中心、服务器集群和千万亿次规模的超级计算机的短距离光互连中。目前850 nm–VCSEL数据传输率在单通道以太网和光纤通道上已达到25 Gb/s和28 Gb/s；2015年实现的71 Gbit/s无误码传是目前激光器的最高传输速度，但是因高驱动电流导致传输能耗过高。

根据国际半导体技术发展路线图 (ITRS) 的评估和预测，通讯光源的能耗要减小~100 fJ/bit才能维持互联网和云计算服务的经济生态可行性。目前最低能耗的高速VCSEL是在室温下850 nm–VCSEL进行50 Gb/s无误码传输时所需的能耗~95 fJ/bit。在85°C的高温工作环境下，最低能耗的高速980 nm– VCSEL为35 Gb/s无误码传输所需的139 fJ/bit。

而激光器在硅基芯片上 (on-chip) 光互连的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且能耗要小于成熟的电互连，要求能耗大约在10 fJ/bit量级。激光器的能耗与其尺度呈正相关的关系，10 fJ/bit量级的能耗直接要求激光器的模式体积要小于，VCSEL显然已经不能满足这个要求。

因此，如何进一步减小有源区体积以提高激光器性能的研究对短距离数据传输具有重要意义。光子晶体是由不同介电常数的电介质周期性排列而成，可在微纳米尺度上有效的调控光子，构成的谐振腔具有品质因子高、模式体积小、易于集成等优点，已被应用于超低阈值激光器、非线性光学、量子光学等领域中。光子晶体微腔激光器具有高的Purcell因子，自发辐射耦合系数获得提高，高的自发辐射耦合系数可以显著降低激光器阈值，并且可以增大弛豫振荡频率，从而增大调制带宽提高调制性能和动态能耗性能。因此光子晶体微纳腔激光器是实现低阈值低能耗的一种有效方式。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能进一步提高光互连激光器高速和低能耗性能的光子晶体纳米梁激光器结构，以弥补现有技术的不足。

本实用新型对于激光器的高速调制性能，调制带宽受到了热限制、阻尼限制和驰豫振荡频率的限制，本发明中的激光器从光子晶体纳米梁结构、InP基异质外延结构的量子阱结构和电注入结构三个方面突破带宽限制。

本实用新型的工作原理：