[发明专利]一种单片硅基发射器

说明书

本发明公开了一种单片硅基发射器，涉及硅光子与光电子集成领域。该发射器包括：一个集成到硅基平台的激光器；一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器；一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器，该硅波导双锥分束器与尖端模斑匹配器相连；两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极；一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器，该MMI分束器分出有两个输出端口；以及一个形成于硅基平台，且与MMI分束器其中一个输出端口连接的背光探测器。本发明不但实现了激光器与调制器在硅基平台单片集成，而且制作成本低、工艺简单、集成度高且利于大规模生产。

技术领域

本发明涉及硅光子与光电子集成领域，具体来讲是一种单片硅基发射器。

背景技术

随着信息技术和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺技术的发展，人们对于系统的运算速度要求越来越快、芯片的尺寸要求越来越小。然而，建立在传统蚀刻工艺基础的硅集成电路在芯片尺寸方面已经趋于工艺极限；主要因为伴随尺寸的不断缩小，传统电互连为基础的集成电路的互连延迟效应与能耗问题逐渐显现，这限制了系统运行速度和集成度的提升。而与电互连技术相比，以光波子作为信息载体的光互连技术，具有信号无干扰、响应速度快、低功耗、大带宽等优点。因此，人们希望借助于成熟的CMOS工艺，以光子作为信息载体，在硅基平台上实现光电子器件的混合集成。

近年来，随着硅基光子学的深入发展，人们已经在SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)平台上不仅成功制作了光波导，耦合器，分束器等无源器件，同时也制备出性能突出的硅基调制器与探测器。然而，核心器件激光器的研究却进展缓慢。主要因为硅材料是间接带隙半导体，发光效率较低，只能通过III-V族半导体材料作为增益介质；另外，传统激光器与CMOS工艺硅波导的模斑失配也阻碍了激光器的片上集成。

目前，为了实现激光器与硅波导的模斑匹配，人们制作了各种模斑转换器，如倒锥转换器，氮氧化硅/聚合物大模场转换器，三叉戟转换器。目的是将与激光器匹配的大模场逐步导入单模硅波导中。然而这些转化器的设计结构要么制作复杂，工艺容差小，要么需要在CMOS工艺过程中引入高成本材料。均与当前硅材料主导的CMOS不兼容。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单片硅基发射器，不但实现了激光器与调制器在硅基平台单片集成，而且制作成本低、工艺简单、集成度高且利于大规模生产。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种单片硅基发射器，包括：一个集成到硅基平台的激光器；一个形成于硅波导端面的尖端模斑匹配器；一个作为MZI调制器输入端的硅波导双锥分束器，该硅波导双锥分束器与尖端模斑匹配器相连；两个分别形成于MZI调制器两臂上的热电极和/或两个分别形成于MZI调制器两臂上的高频电极；一个形成于MZI调制器输出端后面的MMI分束器，该MMI分束器分出有两个输出端口；以及一个形成于硅基平台，且与MMI分束器其中一个输出端口连接的背光探测器。

在上述技术方案的基础上，当MZI调制器两臂上仅形成有热电极时，该MZI调制器为热光调制器；当MZI调制器两臂上仅形成有高频电极时，该MZI调制器为电光调制器；当MZI调制器两臂上既形成有热电极又形成有高频电极时，该MZI调制器为热光/电光调制器。

在上述技术方案的基础上，所述MMI分束器分出的两个输出端口再分别通过级联3dB分束器或MMI分束器，分出多个输出端口；并且，在每个作为末端的分束器的一个输出端口上连接一个背光探测器。

在上述技术方案的基础上，所述激光器采用的材料为III-V族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料；其有源层的增益介质为量子阱、量子线或量子点。

在上述技术方案的基础上，所述增益介质的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。