[发明专利]单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法

说明书

技术领域

本发明涉及到光互连的技术领域，尤其涉及到一种单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法。

背景技术

硅材料作为微电子领域的传统材料，在加工工艺和制作成本上有着绝对的优势。基于硅材料的微电子集成工艺相当成熟。然而，微电子电路集成的发展受制于物理特性已经发展到极限。电互连面临金属线互连延迟、功耗和带宽的挑战，难于满足未来众核片上系统全局的需求。与微电子电路相比，光子集成回路有很多优势，它具有带宽大、功耗小、延迟小等特点。硅基光电集成有望突破电互连面临的困境。近年来，硅基光电集成技术在光源、调制器、探测器等方面取得了一个又一个重大得出破，主要技术瓶颈已经打破。硅基光电集成将成为集成领域未来的主流技术。

硅基光收发模块是硅基光电集成中的主要组件。目前，在众多的光收发模块中，基于VCSEL的收发模块具有直接调制、功耗低、成本低、便于扩展大规模阵列等优点，因而被广泛地应用。然而，传统的VCSEL由于自身特点也面临很多问题。常规的VCSEL为多模激光器，光斑尺寸比较大(50-100μm)，波长一般为850nm或980nm(小于1μm)。它这些特点限制了VCSEL收发模块在硅基波导材料上的应用。其多模特性使得它不能利用波分复用技术，也限制了传输带宽的提高；较大的光斑尺寸使得整个模块体积很大，限制互连密度的提高；另外，较大光斑尺寸和小的硅波导不匹配。

此外，以SOI(Silicon On Insulator，绝缘沉底上的硅)为主要材料的硅基光波导，其截面尺寸并非严格对称，这造成了波导具有很强的偏振相关性，影响偏振敏感器件的应用。比如，AWG(Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅)和微环等器件在不同的偏振态下的测试光谱会有很大的区别。而且目前的大部分光模块并没有考虑到偏振敏感的问题。

发明内容

本发明提供了一种单模垂直腔面发射激光器收发模块及光信号传播方法，用以实现光信号单模传输以及偏振分离，提高工作时的稳定性。

第一方面，提供了一种单模垂直腔面发射激光器VCSEL收发模块，该收发模块包括：光波导层，设置于所述光波导层上的单模光子晶体VCSEL以及与所述单模光子晶体VCSEL对应设置的探测器；其中，所述光波导层中，位于所述单模光子晶体VCSEL以及与其对应的探测器下方的位置分别设置有垂直光栅耦合器，所述单模光子晶体VCSEL发射出的光信号经过所述两个垂直光栅耦合器改变传播路径后射入到与所述探测器内。

结合上述第一方面、在第一种可能的实现方式中，该收发模块还包括光互连层，所述单模光子晶体VCSEL和所述探测器设置于所述光互连层同一侧，所述光波导层设置于所述光互连层上背离所述探测器的一侧。

结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述单模光子晶体VCSEL和所述探测器分别键合在所述光互连层。

结合上述第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光互连层为透明介质材料层或二维垂直光子晶体波导。

结合上述第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述二维垂直光子晶体波导中，位于所述单模光子晶体VCSEL和所述探测器下方的部位分别设置有多个空气孔。

结合上述第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式、第一方面的第二种可能的实现方式、第一方面的第三种可能的实现方式、第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述单模光子晶体VCSEL为单一偏振的单模光子晶体VCSEL，所述垂直光栅耦合器为一维单偏振垂直光栅耦合器，且所述一维单偏振垂直光栅耦合器的耦合角度为90°，所述一维单偏振垂直光栅耦合器的光偏振模式与所述单一偏振的单模光子晶体VCSEL的光偏振模式相匹配。

结合上述第一方面的第五种可能实施方式，在第六种可能实施方式中，所述一维单偏振垂直光栅耦合器为斜刻光栅、闪耀光栅、啁啾光栅或非对称光栅。

结合上述第一方面的第五种可能实施方式，在第七种可能实施方式中，所述单一偏振的单模光子晶体VCSEL包括：n型欧姆接触层，沿远离n型欧姆接触层的方向，依次设置的衬底、底层分布布拉格反射镜DBR、有源层、氧化物层、顶层DBR；其中，所述顶层DBR刻蚀有二维光子晶体VCSEL以及p型欧姆接触层，所述刻蚀的二维光子晶体VCSEL包括多个椭圆形孔。