本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种硅基混合集成可调谐激光光源及光子芯片，可应用于光互连、光交换、光传感等领域。
背景技术：
随着人们对信息和通信要求的不断提高，可调谐激光器逐渐成为光通信系统中不可缺少的器件。它不但可以应用在波分复用系统中作为备份的光源来节约维修时间和成本，而且可以应用在通信系统中任何需要波长转变的地方，如波分复用系统中的数据路由、可重构光通信网络等。实现可调谐激光器的方案有多种，如dbr型半导体激光器结构、dfb型半导体激光器、面发射激光器，其中一个重要方案是将半导体光放大器芯片与一个外腔反馈元件组合的方式构成外腔激光器。外腔可调谐激光器相较于传统的面发射激光器和分布反馈激光器来说可以提供更宽的调谐范围和更窄的线宽。但是传统的外腔可调谐激光器通常要求体积庞大的光学系统和机械控制，光通信系统要求体积小、低成本的可调谐激光器。
无源光子集成技术可以用微纳光子结构给iii-v族增益材料提供外部反馈实现波长调谐。在众多光子集成平台中，硅光子集成技术由于和cmos工艺线有天然的兼容性、硅与二氧化硅之间折射率差大等优势，可以把器件做得十分紧凑并且成本较低。目前国内外已经报道了多种硅基可调谐激光器，这些硅基可调谐激光器都包括半导体光放大器、相移器、双环谐振器和一个环形反射镜或者布拉格反射镜，并利用端面耦合或者键合技术实现混合集成。这些硅基可调谐激光器结构里环形反射镜由于采用环形结构，需要比较大的弯折半径来减小光损耗，所以尺寸比较大；布拉格反射镜对工艺要求高，且不同波长反射率差异比较大，不利于实现宽带可调谐。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供一种硅基混合集成可调谐激光器，包括：
半导体光放大器；
热调硅基环形谐振器及硅基相移器，其中，所述热调硅基环形谐振器连接到所述硅基相移器的输出端，所述硅基相移器耦合到所述半导体光放大器的输出端；
双端口硅基多模干涉反射镜，位于所述热调硅基双环谐振器的输出端；其中，所述双端口硅基多模干涉反射镜包括输入波导、输出波导、多模波导、以及分别将输入波导、输出波导与所述多模波导一端连接的锥形波导，其中：
所述输入波导连接到所述热调硅基双环谐振器的输出端，
所述多模波导不与锥形波导连接的另一端具有两个与波导轴向成45°的刻蚀面，两个所述刻蚀面垂直相交处位于所述多模波导的轴线上。
优选地，所述热调硅基环形谐振器包括串联的第一单环谐振器和第二单环谐振器，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器的半径不同。
优选地，所述第一单环谐振器和第二单环谐振器均包括环形硅波导和所述环形硅波导上方设置的环形微加热电极，所述环形微加热电极材料选白ti、au或tin。
优选地，所述硅基相移器为一段上方设置加热电极的硅波导。
优选地，所述硅基相移器通过模斑变换器端面耦合到所述半导体光放大器，所述模斑变换器选自全硅基模斑变换器、或硅/氮(氧)化硅材料组成的模斑变换器、或硅/聚合物材料组成的模斑变换器。
优选地，所述半导体光放大器为脊型结构，材料为对硅材料波长透明的半导体材料，优选为gaas基、inp基及gasb基的量子阱、量子点或纳米线材料。
优选地，所述半导体光放大器的输出端端面处镀有反射率小于0.1％的介质膜，另一端端面镀有反射率大于95％的介质膜。
作为本发明的另一方面，提供一种硅基混合集成光子芯片，包括如上所述的硅基混合集成可调谐激光器和其他硅基功能器件，所述其他硅基功能器件包括设置于所述硅基多模干涉反射镜输出端的硅基光栅耦合器、硅基调制器、硅基探测器、硅基光交换阵列、硅基路由器和硅基光开关中的一种或几种。
优选地，所述硅基调制器为马赫曾德尔干涉仪型硅基调制器、或环形谐振器硅基调制器，所述硅基探测器可以是硅基锗探测器、或硅基iii-v族半导体探测器。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，通过高q值的热调硅基环形谐振器可以实现窄线宽激光输出，且通过其上的微加热电极改变环形谐振器的共振条件实现波长可调，所述热调硅基环形谐振器包括具有不同环半径的串联的第一单环谐振器和第二单环谐振器，调谐范围大。
2、本发明的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，其中利用了双端口硅基多模干涉反射镜结构，能对大波长范围内光反射率和传输率相差不大；基于硅基上的波导结构具有尺寸小的特点，且本发明的双端口硅基多模干涉反射镜不需要额外的结构如其他耦合器就可以通过输出波导在片上输出激光，让激光进入后续的硅基功能器件，也从另一方面有益于减小尺寸。
3、本发明的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，有尺寸小，成本低的优点，易于集成，在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。且光放大器和单片硅基光子芯片可分别借助激光器的平面化工艺和coms工艺线完成，对器件各部分的形貌控制有所保证。
附图说明
图1为本发明一实施例的的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片的俯视结构示意图；
图2为本发明一实施例的双端口多模干涉反射镜的三维结构图；
图3为本发明一实施例的热调硅基双环谐振器及硅基相移器的三维结构图；
图4为本发明实施例1中双端口多模干涉反射镜工作时，对1550nm波段光场的反射和传输图；
图5为本发明实施例1中热调硅基双环谐振器对1550nm波段光的选择光谱图；
图6为本发明实施例1中可调谐激光器的环形波导温度每升高十度引起的波长调谐图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1-3，图1是本发明的硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片的结构示意图，图2是本发明的双端口硅基多模干涉反射器的三维结构示意图，图3是本发明的热调硅基双环谐振器的三维结构示意图。本发明提供的硅基混合集成可调谐激光器包括：半导体光放大器1、双端口多模干涉反射镜2、热调硅基双环谐振器及硅基相移器3和模斑变换器5。利用2端口硅基多模干涉反射镜解决光的反馈和传输问题，利用热调硅基双环谐振器实现波长的选择，利用微加热电极实现波长的调谐。利用相移区实现谐振器纵模与热调硅基双环谐振器选出的波长相匹配。最终实现用于光子集成芯片的宽带可调谐硅基混合集成可调谐激光器；多模干涉反射镜相较于环形反射镜来说，有着尺寸小和反射谱宽的优点；相较于布拉格反射镜来说，有着工艺要求低且对波长不敏感的优势；利用cmos工艺可以实现大的调谐范围、小巧的尺寸和较低的生产成本。其中，半导体光放大器1是一个两面镀膜的增益半导体芯片，采用脊型结构，其材料体系可涵盖所有对于硅材料波长透明的半导体材料，如gaas基、inp基及gasb基的量子阱、量子点和纳米线材料；
所述半导体光放大器1的输出端通过模斑变换器和热调硅基双环谐振器及硅基相移器3端面耦合，其靠近硅基模斑变换器5的输出端面镀高透过率的介质膜(反射率通常小于0.1％)，另一侧端面镀近乎全反射的介质膜(反射率大于95％)。
所述的硅基模斑变换器5为渐变波导以减小光从半导体光放大器到硅波导的耦合损耗，可以是全硅基模斑变换器、或硅/氮(氧)化硅材料组成的模斑变换器、或硅/聚合物材料组成的模斑变换器，用于减小半导体光放大器的光向硅波导中耦合带来的损耗。
热调硅基双环谐振器及硅基相移器3是由两个半径不同的单环谐振器3.1、硅基相移器3.2、和环形微加热电极3.3组成。
两个单环谐振器3.1包括环形硅波导和其上方设置的环形微加热电极3.3，连接方式为串联，且两个环的半径不同，实现了大的调谐范围。容易理解，也可以使用一个单环谐振器来进行波长调谐，只是调谐范围较双环谐振器小。硅基相移器3.2是指一段上方覆盖着加热电极的硅波导。所述的环形微加热电极3.3形状与其下方的环形硅波导相同，宽度略宽。微加热电极材料是tiau等金属，或是tin等氮化物。
双端口硅基多模干涉反射镜2连接热调硅基双环谐振器及硅基相移器3的输出端，其由输入/输出波导2.1、锥形波导2.2以及多模干涉自成像波导2.3组成，所述输入波导、输出波导分别与所述多模干涉自成像波导2.3通过锥形波导2.2相连；
其中，双端口硅基多模干涉反射镜2采用两根单模波导分别作为输入和输出波导2.1；多模干涉自成像波导2.3为宽波导，远离锥形波导2.2一侧被刻蚀成两个互相垂直的，与波导方向呈45°的刻蚀截面，且两截面相交处位于波导的中心位置，利用光的全反射和自成像原理实现光的反射，成像的光斑的数量和宽波导的长度有关。从结构上可以将双端口硅基多模干涉反射镜2看做一半的双端口mmi，两个45°刻蚀面是为了实现全反射，将成像的光斑转移到了原来的输入和输出波导的位置，与直接刻蚀一个垂直的截面相比，能够减小损耗。
双端口硅基多模干涉反射镜2的输出波导2.1可以连接其他硅基功能器件4，上述的硅基混合集成可调谐光子激光器和其他硅基功能器件4组成硅基混合集成可调谐光子芯片。
其他硅基功能器件4包括硅基光栅耦合器、硅基调制器、硅基探测器、硅基光交换阵列、硅基路由器或硅基光开关等器件，所述其他硅基功能器件根据不同的需要进行选择，以面向不同功能的光电集成的应用，例如硅基光栅耦合器的作用为器件性能测试端口，也可以是光纤耦合输出端口；其中，硅基调制器可以是马赫曾德尔干涉仪型硅基调制器、或环形谐振器硅基调制器；硅基探测器可以是硅基锗探测器、或硅基iii-v族半导体探测器。
上述的硅基多模干涉反射镜2、热调硅基双环谐振器及硅基相移器3、其他硅基功能器件4、和硅基模斑变换器5组成单片硅基光子芯片6，所述单片硅基光子芯片6材料基础为绝缘层上硅soi材料，soi技术已经较为成熟，soi材料的结构即为在顶层硅和硅衬底7之间引入一层埋氧化层8，从而将其上波导曾中传输的光波与衬底完全隔离，消除衬底的吸收，单片硅基光子芯片可以借助cmos工艺平台，引入生长和刻蚀加热电极进行制作，实现批量生产。半导体光放大器通过两次光刻和镀膜进行制作，第一次光刻出光放大器的脊型波导，然后通过pecvd(等离子体增强化学的气相沉积法)等方式生长一层电隔离的sio2，第二次光刻刻出电注入窗口，然后生长正面电极，减薄抛光后生长背面电极，最后解理镀膜，制备工艺简单，方便地解决半导体光放大器和硅波导的耦合问题。
使用时，经半导体光放大器放大输出的光经过硅基模斑变换器耦合到硅波导中，经过热调双环共振器和相移器选择特定波长，在多模干涉反射镜处部分反射，实现光的反馈放大，部分通过输出波导进入后续的硅基功能器件。
本发明所述的一种硅基混合集成可调谐激光器及光子芯片，工作波长范围覆盖1.1微米以上，至近红外、中远红外。
以下结合具体实施例对本发明提供的一种用于光子集成芯片的硅基混合集成可调谐激光器作进一步说明。
实施例1
在本实施例中，半导体光放大器采用以磷化铟为基底的商用1550nm外延材料，通过光刻刻蚀等步骤，制作成单横模光放大器；双端口多模干涉反射镜和热调硅基双环谐振器都采用220nm的soi材料，刻蚀深度均为220nm，锥形波导宽度从400nm逐渐变到1.8μm；双端口多模干涉自成像区长度为22μm左右，两个环的周长分别为186μm和169μm。图4为双端口硅基多模干涉反射镜的光场分布图，可以看到大部分光场被局域在器件中，实现光的反射和传输功能，光损耗比较小。图5为双端口硅基多模干涉反射镜对应的光反射和传输谱，可以看到该反射器对光的波长不是很敏感，损耗也比较低。图6为热调硅基双环谐振器的传输光谱图。右侧半导体光发大器出来的光在热调硅基双环谐振器中选择波长，然后在多模干涉反射器上形成反馈和输出，实现硅基混合集成可调谐激光器的功能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。