1.3微米波段硅基Ⅲ-Ⅴ族量子点微环激光器及其集成结构的设计优化研究

• 作 者: 祝莉娜
• 机 构: 北京邮电大学
• 出 处: 北京邮电大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 硅基光电集成 微环谐振腔 时域有限差分方法 微腔激光器阵列 单向发射激光器

随着通信技术和微电子工艺的发展,高吞吐量系统不断增长的需求成为现代数据中心和数据行业的一大难题。以硅光子技术为基础的硅基光互连具有低成本、低功耗且与标准互补金属氧化物半导体工艺兼容的优点,是实现高吞吐量系统的最有前途的方法之一。近年来,实现硅基片内光互连的关键是发展低功耗、低阈值的微型激光器,1.3微米波段的硅基InAs/GaAs量子点激光器凭借工作寿命长、效率高以及阈值电流低等优点成为研究的热点。在硅基激光器片上集成的方式中,硅基单片集成相比于混合集成方式具有较低的封装成本,并且能够与硅光子工艺同步缩小线宽,有利于实现高集成度、可靠的光互连系统。此外,硅基光电集成的规模化发展对激光器的体积以及功耗也提出了非常高的要求。回音壁模式微腔激光器如微盘、微环激光器等利用弯曲边界上的全内反射效应实现了对光的强限制,有利于实现低阈值、小体积、高集成度的片上集成光源,具有非常广阔的应用前景。然而,完整回音壁模式微腔激光器中存在多个模式,不容易实现单模激射,并且微腔边界的圆对称性和全内反射效应限制了激光的定向输出,不能满足光电子信息领域对半导体激光器的输出光功率的要求。基于上述研究背景,本论文开展了1.3微米波段硅基单片集成III-V族量子点微环激光器及其集成结构的设计和优化研究,具体工作及研究成果如下:（1）提出了一种连接III-V族径向波导的1.3微米波长直接外延硅基微环激光器结构。通过在微环腔边缘连接一个III-V族径向波导,打破了圆形微腔中光发射的各向同性,提高了微腔激光器的单向发射性,并且微环内壁的引入对腔内一系列谐振模式有较好的抑制作用。基于三维时域有限差分法分析了微环激光器的光学模式,并且优化了激光器的材料结构和器件结构,得出当微环腔外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm,材料包层厚度为1.5 μm,器件刻蚀深度为3.735 μm以及波导宽度为0.5 μm时,微环激光器能够在1302.43 nm波长处实现品质因子高达20093.6的单模激射,并且微环激光器与III-V族波导之间的光耦合效率约为47.8%。（2）提出了一种与锥形硅波导径向耦合的多波长硅基微环激光器阵列结构。多个微环激光器以相同的边缘间隔按一字排列,硅波导与激光器有源层对准且与微腔之间有一定的耦合间距。在固定微环宽度为1.0 μm的情况下,利用三维时域有限差分法研究了微环半径对模式波长的影响,得到当微环外半径为2.7～3.9 μm时,模式波长范围为1289.29～1307.28 nm,波长间隔均约为3 nm。此外,还对锥形硅波导的宽度、厚度进行了数值优化,得到当锥形硅波导输入和输出端口的宽度分别为1.0 μm和0.3 μm,波导厚度为0.435 μm,锥长为25 μm,耦合间距为0.1 μm时,外半径为3.5 μm、微环宽度为1.0 μm的微环激光器与锥形硅波导之间可实现约20%的光耦合效率。（3）提出了一种基于切角微环激光器与锥形硅波导的硅基片上集成方案。采用三维时域有限差分法对微腔的切口宽度进行了数值优化,得出对于外半径为3.5 μm,微环宽度为1.0 μm的微环激光器来说,当切口宽度为2.0 μm时,激光器能在1308.86 nm波长处实现品质因子高达1.9×105的单模激射,并且激光器沿切口方向具有较好的单向发射性,平面内的远场发散角约30°。此外,还研究了切角微环腔与锥形硅波导之间的耦合间距对光耦合效率的影响,得出当锥形波导输入端口为2.0 μm,锥长为25 μm,波导厚度为0.435 μm,耦合间距为0.1 μm时,光耦合效率为11.3%,同时在截面尺寸为435×300 nm的波导输出端口能够观察到基模。