基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片

本发明涉及硅基光子学，具体涉及高速信息传输等片上光互联领域，尤其涉及一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片。

背景技术：

1、基于硅基光子学技术的硅光芯片将硅基光子器件和电路集成到一起，为当前带宽需求最为迫切的大规模数据中心和高性能计算机内部光互连提供了非常具有前景的解决方案。该方案通过将光电子技术与微电子技术结合，在集成电路内部和芯片间引入集成光路，发挥光互联传输速度快、功耗低等优点，并且充分利用微电子工艺成熟、成本低、高密度集成等优点，单片集成方案目前具有集成度高，成本低，性能最佳，是硅基光互连的发展方向。

2、硅光子集成芯片包含光源、耦合器、光波导、光开关、调制器、探测器等器件，硅光芯片是为了实现某种特定功能的芯片，如通信上的收发芯片。目前硅基片上调制器、探测器、耦合器等无源器件的研究较为成熟，对于硅基光源，因为硅是间接带隙半导体材料，硅材料无法实现有效的发光，硅基光源一直都是阻碍硅基光互连发展的最大瓶颈。目前硅光芯片中的硅基光源方案有两种，一是在硅光芯片上直接引入光源，另一种光源方案是在硅基上混合集成iiiv族光源，与在硅光芯片上直接引入光源相比，混合集成光源具有易于与硅集成、光源密集度高的优点，更具有发展前景。

3、现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等缺点，不能实现快速、高耦合效率、低成本的需求。因此，亟需一种高对准容差、高耦合效率、低成本的混合集成硅光芯片。

技术实现思路

1、针对现有技术问题，本发明提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，用于解决现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等问题。

2、本发明实施例第一方面提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，包括：激光器阵列结构，包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器；光子晶体面发射半导体激光器包括：多层结构的外延层和光子晶体，多层结构的外延层位于多层结构的外延层内或者贯穿部分多层结构的外延层，其中，光子晶体用于对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。

3、根据本发明的实施例，多层结构的外延层包括依次叠设的p型重掺杂层、p型盖层、p型波导层、有源层、n型波导层、n型盖层和n型高掺层；多层结构的外延层的各层均由iii-v族或iv族元素组成的物质构成；其中，p型重掺杂层和n型高掺层用于形成欧姆接触；p型波导层和n型波导层用于光场的传输；p型盖层和n型盖层防止光场与p型重掺杂层和n型高掺层重叠。

4、根据本发明的实施例，光子晶体为二维光子晶体，二维光子晶体的截面为具有对称特性的几何形状。

5、根据本发明的实施例，二维光子晶体的截面为周期性排列的多孔结构，通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控光场的分布和传输，以产生不同波长的激光。

6、根据本发明的实施例，多孔结构的周期的大小和孔的直径的大小为亚微米量级。

7、根据本发明的实施例，光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光场，沿外延方向且平行于光子晶体出射激光。

8、本发明实施例第二方面提供一种硅光芯片，包括：soi基底；集成光源，集成光源为上述基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，集成光源与soi基底键合；硅基光栅耦合器，设于soi基底上，与集成光源耦合；硅基光波导，设于soi基底上，与硅基光栅耦合器耦合，用于接收硅基光栅耦合器从集成光源耦合过来的激光及传播激光；硅基半导体器件，用于基于硅基光波导传播的激光实现对应功能。

9、根据本发明的实施例，soi基底包括：依次叠设的soi衬底硅层、soi氧化埋层和soi器件层；硅基光栅耦合器、硅基光波导和硅基半导体器件设于soi器件层中。

10、根据本发明的实施例，，集成光源产生的激光耦合至硅基光栅耦合器的入射角为8°-10°。

11、根据本发明的实施例，硅基光栅耦合器的区域面积大于光子晶体面发射半导体激光器中发光区域的面积。

12、根据本发明实施例提供的基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，至少包括以下有益效果：

13、集成光源的光子晶体面发射半导体激光器利用光子晶体，通过光子晶体对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光，极大地增大了激光波长的覆盖范围。光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光，沿外延方向且平行于光子晶体出射激光，能够方便集成大尺寸阵列光子晶体，从而兼容大阵列的混合集成。

14、光子晶体采用多孔结构，能够通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控激光器的远场模式，以匹配硅基光栅耦合器的结构参数，满足标准硅基光栅耦合器高耦合效率的非垂直入射角，实现高耦合效率、高对准容差的集成。

15、硅光芯片采用光子晶体面发射半导体激光器与硅基片上硅基光栅耦合器进行光耦合，实现了硅基光源高对准容差的快速高效集成，具有较高的耦合效率，适用于金属键合、直接键合、bcb胶键合、介质键合等多种集成光源的方案，同时兼容大阵列集成，实用性强，成本低，便于应用推广。

技术特征：

1.一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述多层结构的外延层包括依次叠设的p型重掺杂层、p型盖层、p型波导层、有源层、n型波导层、n型盖层和n型高掺层；所述多层结构的外延层的各层均由iii-v族或iv族元素组成的物质构成；

3.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述光子晶体为二维光子晶体，所述二维光子晶体的截面为具有对称特性的几何形状。

4.根据权利要求3所述的集成光源，其特征在于，所述二维光子晶体的截面为周期性排列的多孔结构，通过调节多孔结构的周期和/或孔的直径来调控所述光场的分布和传输，以产生不同波长的激光。

5.根据权利要求4所述的集成光源，其特征在于，所述多孔结构的周期的大小和孔的直径的大小为亚微米量级。

6.根据权利要求1所述的集成光源，其特征在于，所述光子晶体面发射半导体激光器被配置为沿腔长方向进行振荡产生光场，沿外延方向且平行于所述光子晶体出射所述激光。

7.一种硅光芯片，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述soi基底包括：依次叠设的soi衬底硅层、soi氧化埋层和soi器件层；

9.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述集成光源产生的激光耦合至所述硅基光栅耦合器的入射角为8°-10°。

10.根据权利要求7所述的硅光芯片，其特征在于，所述硅基光栅耦合器的区域面积大于所述光子晶体面发射半导体激光器中发光区域的面积。

技术总结
本发明提供一种基于光子晶体面发射半导体激光器的集成光源及硅光芯片，涉及硅基光子学技术领域，包括：激光器阵列结构，包括阵列排布的光子晶体面发射半导体激光器；光子晶体面发射半导体激光器包括：多层结构的外延层和光子晶体，多层结构的外延层位于多层结构的外延层内或者贯穿部分多层结构的外延层，其中，光子晶体用于对多层结构的外延层内产生的光场的分布和传输进行调控，以产生不同波长的激光。该集成光源及硅光芯片解决了现有的混合集成光源的方式存在耦合对准容差小、工艺复杂、不能大阵列、大规模集成、耦合效率低等问题。

技术研发人员：郑婉华,刘文振,王明金,唐臣燕,徐远博,司嘉昊,周晟民
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13