CN108110605A - 一种硅基激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种硅基激光器，涉及光通信技术领域。包括，硅衬底、半导体出光芯片，硅衬底表面形成有环形闭口硅波导、连接硅波导、环形开口硅波导及输出硅波导；半导体出光芯片发出的光通过连接硅波导进入环形闭口硅波导及环形开口硅波导进行谐振；环形开口硅波导与输出硅波导的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。本申请提出的硅基激光器可以对半导体出光芯片提供的光进行谐振、反射最终实现激光输出，从而提高硅发光效率。

Description

一种硅基激光器

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种硅基激光器。

背景技术

随着信息传输对带宽的要求越来越高，传统的基于III-V InP基DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)激光器的光模块由于其本身材料的限制，难以实现高于25G的调制带宽，无法满足人们的需求。因此，人们寄希望于硅光平台可以实现光模块数据传输领域的技术突破。

目前，人们已经在硅光平台上制作出了高速率的硅光调制器、高速率探测器、低损耗传输波导和波分复用等硅光器件，并且实现了各个功能器件的相互集成，使单路信息传输提高至25G/50G。然而，由于硅是一种间接带隙材料，发光效率极低，不适合作为光发射器件，这严重制约了硅光技术在光通信领域的进一步突破。为了解决这一难题，人们尝试通过键合技术将半导体出光芯片键合在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)硅光芯片上，利用半导体出光芯片为硅光芯片提供光注入的方法制作发光器件。

因此，如何提供一种硅基激光器便成为亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请提供一种硅基激光器，该激光器，包括，硅衬底、半导体出光芯片，

硅衬底表面形成有环形闭口硅波导，连接硅波导、环形开口硅波导及输出硅波导；

连接硅波导一端与环形闭口硅波导连接，另一端与环形开口硅波导的一端连接；

环形开口硅波导的另一端与输出硅波导连接；

半导体出光芯片键合于连接硅波导上方；

半导体出光芯片发出的光通过连接硅波导进入环形闭口硅波导及环形开口硅波导进行谐振；

环形开口硅波导与输出硅波导的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。

由此可见，与现有技术相比，本申请所提出的技术方案的有益技术效果包括：

本申请提出了一种硅基光器，包括，硅衬底、半导体出光芯片，硅衬底表面形成有环形闭口硅波导、连接硅波导、环形开口硅波导及输出硅波导；连接硅波导一端与环形闭口硅波导连接，另一端与环形开口硅波导的一端连接；环形开口硅波导的另一端与输出硅波导连接，半导体出光芯片键合于所述连接硅波导上方；半导体出光芯片发出的光通过连接硅波导进入环形闭口硅波导及环形开口硅波导进行谐振；环形开口硅波导与输出硅波导的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。本申请提出的硅基激光器可以对半导体出光芯片提供的光进行放大、选向和选频最终实现激光输出。

附图说明

图1为本申请实施例中所述的一种硅基激光器的立体结构图；

图2为本申请实施例中所述的一种硅基激光器的俯视图；

图3为本申请实施例中所述的一种硅基激光器的截面示意图；

图4为本申请实施例中所述的一种环形闭口硅波导的结构示意图；

图5为本申请实施例中所述的一种环形闭口硅波导的结构示意图；

图6为本申请实施例中所述的一种半导体出光芯片7的示意图。

其中，1、衬底，2、掩埋氧化硅层，3、环形闭口硅波导，4、连接硅波导，5、环形开口硅波导，6、半环形硅波导，7、半导体出光芯片，8、直形硅波导。

具体实施方式

正如背景技术所述的，人们为了解决硅发光效率低，不适合作为光发射器件的技术问题，尝试通过键合技术将半导体出光芯片键合在硅光芯片上，利用半导体出光芯片为硅光芯片提供光注入的方法制作发光器件。

基于此，本申请的发明人希望提出一种硅基光器来解决上述技术问题。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。下文为了叙述方便，下文中所称的“左”“右”“上”“下”等与附图本身左、右、上、下等方向一致，下文中的“第一”、“第二”等为描述上加以区分，并没有其他特殊含义。

如图1所示为本申请实施例提出的一种硅基激光器的立体结构图，图2为本申请实施例中的硅基激光器的俯视图，图3为本申请实施例提出的硅基激光器的截面图。下面通过上述附图对本申请提出的硅基激光器进行具体的描述。

由图1、图2、图3可知，本申请实施例提出的硅基激光器，包括，硅衬底1、半导体出光芯片7。

硅衬底7表面形成有环形闭口硅波3导，连接硅波导4、环形开口硅波导 5及输出硅波导。

连接硅波导4一端与环形闭口硅波导3连接，另一端与环形开口硅波导5 的一端连接。

环形开口硅波导5的另一端与输出硅波导连接。

半导体出光芯片7键合于连接硅波导4上方。

半导体出光芯片7发出的光通过连接硅波导4进入环形闭口硅波导3及环形开口硅波导5进行谐振。

环形开口硅波导5与输出硅波导4的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导4进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。

本申请实施例的半导体出光芯片7受电、光等物质激发后产生光的通过倏逝波耦合的方式耦合进下方的连接硅波导4中并在连接硅波导4中传输。本申请实施例的激光器的半导体出光芯片7仅为激光器提供没有增益的光。当光在环形闭口硅波导3、连接硅波导4、环形开口硅波导5中进行谐振、反射和传输时，会由于光的干涉对半导体出光芯片7提供的光进行增益。

本申请实施例提出的激光器的环形闭口硅波3导，连接硅波导4、环形开口硅波导5及输出硅波导采用直接连接的形式，在半导体出光芯片7产生的光进入连接硅波导4后，并传输至环形闭口硅波导和环形开口硅波导中。在环形闭口硅波3导，连接硅波导4、环形开口硅波导5内进行谐振、反射以实现光的放大、选向和选频。

本申请实施例提出的硅基光器中的环形闭合硅波导3与连接硅波导4直接连接，因此，在制作本申请实施例的激光器时，无需控制谐振结构与传输波导之间间距，只要使闭合环形硅波导3与连接硅波导4直接连接即可。此外，由于本申请实施例中光在直接连接的环形闭口硅波导与连接硅波导内传输时，是在闭合结构内进行传输，因此，无需在环形闭口硅波导以及连接硅波导上设置反射膜(或类似结构)等辅助结构控制光在二者之间传输。在具体应用场景中，优选环形闭口硅波导在连接硅波导与闭口环形硅波导的连接处闭合。

在具体的应用场景中，通常硅衬底1上设置有掩埋氧化硅层2，将硅衬底 1与硅衬底上的各硅波导隔离开。

在具体的应用场景中，为了更好的平衡光的品质因子和耦合效率，减小光的衍射损耗，在制作环形闭口硅波导3时，可以将环形闭口硅波导3形成的内光场设置为回音壁模式且尽可能减小环形闭口硅波导3的尺寸。

由于光在环形闭口硅波导3形成的内光场传输路线受内光场的内壁夹角的影响，为了使进入闭口环形硅波导3的光可以顺利的进入连接硅波导4，在具体的应用场景中，制作闭口环形硅波导可以将其形状制作为中心对称的环形硅波导。该中心对称的环形硅波导的优选形式包括，圆环形硅波导、如图5 所示的正方环形硅波导、正六边环形硅波导、如图4所示的正八边环形硅波导。此外，圆盘形硅波导、正方形硅波导、正六边形硅波导以及正八边形硅波导也可以满足上述要求。

为了在保持高耦合效率的前提下获取高的品质因子，在具体的应用场景中，连接硅波导4上用于与环形闭口硅波导3连接的一端的宽度最好不大于 3μm。

在本申请实施例提出的硅基光器中，为了使在环形闭口硅波导3、连接硅波导4以及环形开口硅波导5中传输的光更高效的输出，产生激光，在具体应用场景中，连接硅波导4与环形开口硅波导5连接的一端最好为单模波导结构。

在本申请实施例提出的硅基光器中，为了更好的对产生的激光的引导输出，优选输出光波导包括，直形硅波导8和半环形硅波导6，直形硅波导8的一端连接环形开口硅波导5的一端,另一端连接半环形硅波导6。本申请提出的硅基激光器可以实现激光的水平激射。

在具体的应用场景中，可以通过调整直形波导8的长度来调整环形开口硅波导5内的光的反射和输出比例。

需要说明的是，上述半环形硅波导6可以使本申请实施例提出的激光器产生的激光按照预设方向的被引导输出，在具体的应用场景中还可以采用其他结构(如四分之一环等形状的硅波导)对硅基光器产生的激光输出方向进行引导，具体采用何种结构可以根据激光器的激光输出的方向进行灵活设置。

本申请实施例的硅基光器中的半导体出光芯片7可以为III-V族直接带隙半导体芯片，III-V族直接带隙半导体芯片可以为多层结构，包括但不限于以下七层：欧姆接触层、上限制层、有源区、下限制层、底部接触层、N电极接触层和P电极接触层。III-V族直接带隙半导体芯片可以是量子阱结构、也可以是量子点结构，只要可以为硅基波导结构层提供光增益即可。

在制作本申请实施例的硅基光器时，将半导体出光芯片7与连接硅波导4 的键合方式可以为直接接触的方式，也可以为通过键合层键合的方式。

为了更好的均衡耦合效率和品质因子，在具体的应用场景中，如图6所示，优选半导体出光芯片7键合于连接硅波导4的正上方。

此外，半导体出光芯片7的形状可以为条形这种简单的结构。在具体的应用场景中，为了提高半导体出光芯片7与连接硅波导4的耦合效率，半导体出光芯片7优选宽度渐变的拉锥形。

需要说明的是，半导体出光芯片7用于为激光器提供光源，在保证其在可以产生光的前提下，其结构形状以及与连接硅波导的键合方式不会影响本申请的保护范围。

在具体的应用场景中，连接硅波导的形状可以为条形、弯曲形、拉锥形中的一种。连接硅波导具体选用何种形状需根据实际应用场景而定。

与现有技术相比，本申请实施例所提出的技术方案的有益技术效果包括：

本申请提出了一种硅基光器，包括，硅衬底、半导体出光芯片，所述硅衬底表面形成有环形闭口硅波导、连接硅波导、环形开口硅波导及输出硅波导；连接硅波导一端与环形闭口硅波导连接，另一端与环形开口硅波导的一端连接；环形开口硅波导的另一端与输出硅波导连接，半导体出光芯片键合于连接硅波导上方；半导体出光芯片发出的光通过连接硅波导进入环形闭口硅波导及所述环形开口硅波导进行谐振；环形开口硅波导与输出硅波导的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。本申请提出的硅基激光器可以对半导体出光芯片提供的光进行谐振、反射最终实现激光输出。

本发明实施例还提供一种光模块，包括上述硅基激光器，激光器是光模块中的核心器件，本发明实施例提供的光模块应用了上述实施例提供的硅基激光器。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的技术方案，如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基激光器，其特征在于，包括，硅衬底、半导体出光芯片，

所述硅衬底表面形成有环形闭口硅波导、连接硅波导、环形开口硅波导及输出硅波导；

所述连接硅波导一端与所述环形闭口硅波导连接，另一端与所述环形开口硅波导的一端连接；

所述环形开口硅波导的另一端与所述输出硅波导连接；

所述半导体出光芯片键合于所述连接硅波导上方；

所述半导体出光芯片发出的光通过所述连接硅波导进入所述环形闭口硅波导及所述环形开口硅波导进行谐振；

所述环形开口硅波导与所述输出硅波导的连接处发生光反射，使得一部分光反射回连接硅波导进行谐振，另一部分光反射向输出光波导从而对外输出。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述环形闭口硅波导在所述连接硅波导与所述环形闭口硅波导的连接处闭合。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述输出硅波导包括，直形硅波导和半环形硅波导，

所述直形硅波导的一端连接所述环形开口硅波导的一端,另一端连接所述半环形硅波导。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述环形闭口硅波导为中心对称的环形硅波导。

5.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述连接硅波导与所述环形开口硅波导连接的一端为单模波导结构。

6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述半导体出光芯片与所述连接硅波导的键合方式为：直接与所述连接硅波导键合或通过键合层与所述连接硅波导键合。

7.如权利要求1至6任一所述的激光器，其特征在于，所述半导体出光芯片的形状为宽度渐变的拉锥形或条形。

8.如权利要求1至6任一所述的激光器，其特征在于，所述连接硅波导的形状为条形、弯曲形、拉锥形中的一种。

9.如权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述半导体出光芯片键合于所述连接硅波导的正上方。

10.一种光模块，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的硅基激光器。