型盖层310。
[0037]参见图3所示，将Ρ型限制层306和Ρ型盖层310整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构309，Q ^ 1。单个波导结构由凸起的脊型波导结构307和凸起的输出波导结构308对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构309。
[0038]参见图2和图3所示，波导结构与邻近的台面结构309之间、以及所有台面结构309上面均覆有电绝缘层311。所有波导结构和电绝缘层311上面均覆有P型电极层312。参见图1所示，光源芯片3整体倒置于硅衬底层1的光源面上。
[0039]参见图3所不，顶层娃4包括Μ.Q个模斑变换器401和Μ.Q个谐振器402，每个模斑变换器401均位于顶层硅4邻近光源芯片3的侧部，模斑变换器401与光源芯片3中的输出波导结构308 —一对应，每个模斑变换器401的输入端与对应的输出波导结构308在水平方向和垂直方向上对准。每个模斑变换器401的输出端通过硅波导403与1个谐振器402的输入端相连，谐振器402的输出端设置有硅波导403。参见图1和图3所示，每个模斑变换器401上面均覆有低折射率层5。
[0040]本发明中光源芯片3的N型波导层304的厚度可以大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。有源层305的结构可以为量子阱、量子线或量子点，有源层305的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片3可采用不同的有源层305，相邻光源芯片3的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。脊型波导结构307的宽度需要满足光源芯片3输出单横模的条件。输出波导结构308可以为直波导、倾斜波导或弯折波导等。电绝缘层311的材料可以为Si02、Si3N4或A1 203。
[0041]顶层硅4的模斑变换器401可以采用反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列等。谐振器402可以采用选频结构，例如微环、光栅等。不同的谐振器402可选择不同的中心波长，并从硅波导403中输出；同一个光源芯片3对应的多个谐振器402选择的波长覆盖该光源芯片3的有源层305的增益谱波长范围。低折射率层5的折射率可以位于空气折射率和硅材料折射率之间。
[0042]下面通过1个实施例具体说明本发明的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器。
[0043]设计上述结构的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其中模斑变换器401上覆盖的低折射率层5为Si02，宽度和厚度均为6 μπι。光源芯片3外延结构采用InGaAsP/InP材料系，每个光源芯片3包含两个输出通道。参见图4所示，单通道输出的近场在水平和垂直方向均为类高斯分布，Ι/e2宽度分别为4.07 μ m和4.88 μ m，光斑形状接近圆斑。
[0044]参见图5所示，该II1-V族光源芯片3在激射阈值附近的增益谱分布，可以看到中心波长在1.53 μπι附近。虽然增益谱覆盖的波长范围超过lOOnm，但是为了保证同一个芯片上不同通道输出光功率的均一性，不同波长对应的增益差应该尽可能的小。实际应用中，一个II1-V族光源芯片3输出光的波长可调范围通常小于50nm，这限制了单个II1-V族光源芯片3中输出通道的数目。
[0045]有鉴于此，本实施例中的硅基激光器采用多个增益谱在频域上相互错开的光源芯片3，多个光源芯片3的组合使得激光器输出激光的光谱范围成倍地增加，弥补了单芯片增益谱范围受限的缺陷。参见图6所示，随着输出通道的激射波长的增加，II1-V族脊波导与硅基模斑变换器401之间的耦合效率有所降低，但是变化幅度很小，耦合效率一直保持大于81%。激射波长从1450nm变化到1650nm(覆盖光通信波段中的S、C、L波段)，耦合效率仅变化了 1.6%，这表明大模斑输出的II1-V族光源芯片3与硅波导403的耦合对波长不敏感，从而能够保证不同通道之间输出激光性能的均一性。
[0046]本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，包括硅衬底层(1)，其特征在于:硅衬底层(1)上表面分为绝缘区和光源区，光源区上刻蚀大于lOOnm的厚度形成光源面，光源面上设置有Μ个输出中心波长不同的II1-V族大模斑半导体多通道阵列光源芯片(3)，Μ ^ 2 ;所述绝缘区的上面覆有绝缘层(2)，绝缘层(2)的上面覆有顶层硅(4); 每个所述光源芯片(3)均包括从下至上依次覆盖的Ν型电极层(301)、Ν型衬底层(302)、Ν型限制层(303)、Ν型波导层(304)、有源层(305)、Ρ型限制层(306)和Ρ型盖层(310)屮型限制层(306)和Ρ型盖层(310)整体刻蚀形成Q个凸起的波导结构和Q+1个凸起的台面结构(309)，Q ^ 1，单个波导结构由凸起的脊型波导结构(307)和凸起的输出波导结构(308)对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面结构(309)； 所述波导结构与邻近的台面结构(309)之间、以及所有台面结构(309)上面均覆有电绝缘层(311);所有波导结构和电绝缘层(311)上面均覆有Ρ型电极层(312);所述光源芯片(3)整体倒置于硅衬底层(1)的光源面上； 所述顶层硅⑷包括Μ.Q个模斑变换器(401)和Μ.Q个谐振器(402)，每个模斑变换器(401)均位于顶层硅(4)邻近光源芯片(3)的侧部，模斑变换器(401)与光源芯片(3)中的输出波导结构(308) —一对应；每个模斑变换器(401)的输入端与对应的输出波导结构(308)在水平方向和垂直方向上对准，每个模斑变换器(401)的输出端通过硅波导(403)与1个谐振器(402)的输入端相连，谐振器(402)的输出端设置有硅波导(403);每个模斑变换器(401)上面均覆有低折射率层(5)。2.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述Ν型波导层(304)的厚度大于等于λ，λ为硅基激光器在真空中的激射波长。3.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述有源层(305)的结构为量子阱、量子线或量子点，有源层(305)的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段；不同的光源芯片(3)采用不同的有源层(305)，相邻光源芯片(3)的增益谱峰值波长的间隔小于增益谱宽度的一半。4.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述脊型波导结构(307)的宽度满足光源芯片(3)输出单横模的条件。5.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述输出波导结构(308)为直波导、倾斜波导或弯折波导。6.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述电绝缘层(311)的材料选用Si02、Si3N4或Α1 203。7.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述模斑变换器(401)采用反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。8.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述谐振器(402)采用选频结构。9.如权利要求8所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:不同的谐振器(402)选择不同的中心波长、并从硅波导(403)中输出；同一个光源芯片(3)对应的多个谐振器(402)选择的波长覆盖该光源芯片(3)的有源层(305)的增益谱波长范围。10.如权利要求1所述的高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，其特征在于:所述低折射率层(5)的折射率位于空气折射率和硅材料折射率之间。
【专利摘要】本发明公开了一种高效率宽谱输出的单芯片多波长硅基激光器，涉及半导体光电子器件技术领域。本发明的硅衬底层上分为绝缘区和光源区，绝缘区上设置有模斑变换器和谐振器，光源区设置有2个以上的光源芯片。本发明能够将多个输出中心波长不同的光源芯片集成于一体，光源芯片输出的大尺寸高斯分布光斑能高效地耦合至模斑变换器中，并经过谐振器形成腔振荡，最终在硅波导中输出高效率和宽谱范围的激光。本发明能够直接从硅波导中高效输出宽谱多波长激光，不仅结构紧凑、工艺简单、功率效率和稳定性均较高，而且可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。
【IPC分类】H01S5/06, H01S5/024, H01S5/40
【公开号】CN105305231
【申请号】CN201510859291
【发明人】刘磊, 肖希, 王磊, 邱英, 杨奇, 余金中, 余少华
【申请人】武汉邮电科学研究院
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年11月30日