[发明专利]一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构

说明书

本发明公开了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，包括激光器和SOI波导，所述激光器包括：P型波导层，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；有源区，设置于P型波导层之上，用于增益发光；N型限制层，设置于有源区之上，用于限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极，设置于N型限制层之上，用于生长外延材料及载流子的注入；所述SOI波导，设置于所述激光器之下，与激光器通过键合技术或BCB胶合成一整体，形成复合激光腔。

技术领域

本发明涉及硅光子集成领域中的核心光源，尤其涉及一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构。

背景技术

半导体激光器具有输出功率高、体积小、重量轻、泵浦效率高等优点，尤其是半导体边发射激光在硅基通讯中作为光源有重要的应用。

为了便于激光器在硅基混合集成上的应用，在要求半导体激光器为单纵模的同时，还要求半导体激光器输出的激光能量更多的耦合到硅波导当中。

为了使半导体激光能够耦合到硅波导当中，目前大约有三种方案，其一为在硅波导上直接生长III-V族有源材料，由该有源材料产生的激光通过消逝波耦合的方式进入到硅波导中，形成硅波导输出激光，此方案中的一个核心技术是基于硅材料的异质III-V族材料的生长，由于晶格失配大，导致外延生长的有源材料中存在高密度缺陷的瓶颈问题。

为攻克上述难题，现有技术需要采用生长几微米的厚缓冲层，才能够获得高质量的有源区，然而，厚达几微米的缓冲层将阻断III-V族中激光向硅波导中耦合，因此，目前这个技术方案仍在攻关中，人们的目标是获得在薄缓冲层上生长出高质量的外延材料，尚未见高性能的硅基混合集成硅波导输出激光。其二是III-V族边发射半导体激光器直接端面耦合到硅波导中，此种方法需要精确调控激光器与波导的相对位置，使激光器和Si波导端面精确对准，同时要保证模式匹配，获得高的端面耦合效率，该技术方案有多家光电子集成技术公司采用，其典型的问题为难以实现多激光器阵列耦合。其三是通过键合或BCB胶的方法，即把III-V族材料直接键合到SOI上，基于消逝波耦合理论，将产生的单模激光通过消逝耦合经硅波导输出，该方案的典型问题是耦合效率低，特别是对硅材料的厚度有较高的要求，不利于在硅光子集成中其他器件，如调制器、探测器等高频特性的实现。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，以至少部分解决现有方法中存在的晶格失配大，多激光器阵列耦合实现难度大以及对硅材料的厚度有较高的问题，同时实现较高的耦合效率。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，包括激光器A1和SOI波导A2，所述激光器A1包括：P型波导层A6，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；有源区A5，设置于P型波导层A6之上，用于增益发光；N型限制层A4，设置于有源区A5之上，用于限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极A3，设置于N型限制层A4之上，用于生长外延材料及载流子的注入；所述SOI波导A2，设置于所述激光器A1之下，与所述激光器A1形成复合激光腔。

在进一步的方案中，所述激光器A1的材料为III-V族材料。

在进一步的方案中，所述SO1波导A2包括：衬底硅A9；二氧化硅层A8，设置于衬底硅A9之上；顶层硅A7，设置于二氧化硅层A8之上，激光器A1之下。

在进一步的方案中，所述激光器A1与SOI波导A2使用键合技术或BCB胶粘的方式合成为一个整体。

在进一步的方案中，所述激光器A1的激光模式分布的波长位于900nm-2000nm波段，该激光器利用高阶横模的分布耦合进入所述SOI波导A2中，所述高阶横模为一阶横模至二十阶横模。