基于微结构选频的新型单模混合硅激光器

The photonic integrated circuit chip has important applications in the field of optical communications, high-performance computing. Silicon-based photonic integrated circuit is considered as the most promising technology. Si / III-V hybrid silicon laser is a hot spots and some scientific and technical issues need to be addressed,such as the interface state effect on device physical characteristics with different materials ,the reasonable mode selection mechanism and high efficient coupling output. This project is made based on a new single mode hybrid laser with evanescent field coupling and micro-structure of the silicon waveguide selection mechanism. The feature is that mode selection and high efficient output are realized with a microstructured silicon waveguide on the same time.Semiconductors technique is simplized and requiement to fabrication is decreased.The laser can be used in high-density integration and the single longitudinal mode output. The high efficient coupling outputand with a wide range of wavelength tuning is an obvious advantage. Platform based on existing theories, the heterogeneous bonding and the conventional semiconductor process, we have launched a new micro-structure silicon laser physics, materials, design and technology implementation and other aspects of research. In view of this, the project will continue to improve the above research work, explore new single-longitudinal-mode silicon-based hybrid integrated light of the inherent physical effects and processes to achieve, focus on resolving the problem of single-mode lasing and high efficient coupling output.Through innovation, obtain own intellectual property rights.

硅基光子集成在光互连、高性能计算机上有重要应用。Si/III-V的混合硅激光是研究热点。目前面临一些科学问题和技术瓶颈，如不同材料系界面态对器件物理特性影响，合理的模式选择机制及高效耦合输出等。本项目拟提出一种基于倏逝场耦合和微结构选模机制的新型混合硅单纵模激光器，创新性在于通过硅上微结构同时实现选模和高效耦合输出， 简化工艺步骤，通过设计降低工艺要求。该激光器适于高密度集成，能够单纵模工作，具有大范围波长调谐、多波长集成的潜力。基于已有的理论平台、异质键合及半导体常规工艺，前期我们已经开展了新型微结构硅激光器物理、材料、设计和工艺实现等方面研究。鉴于此，本项目将继续完善以上研究工作，探索新型单纵模硅基混合集成光源内在物理机制和工艺实现，集中精力重点解决单模激射和高效耦合输出问题，通过创新获得自主知识产权。

硅基光子集成在光互连、高性能计算机上有重要应用。Si/III-V的混合硅激光是研究热点。目前面临一些科学问题和技术瓶颈，如不同材料系界面态对器件物理特性影响，合理的模式选择机制及高效耦合输出等。本项目提出了新型的基于倏逝场耦合和微结构选模机制的新型混合硅单纵模激光器，通过硅上微结构同时实现选模和高效耦合输出, 简化工艺步骤,降低工艺要求，该研究工作对硅基光子集成的核心问题提出了新的解决方案，具有推广应用的潜力。具体如下：. 1）本项目完成过程中，实现了多种硅基片上光源，全部在理论设计的基础上，最后通过实验加以实现。相关文章被他人引用15次。. 2）完成硅基微纳光源仿真模型的建立，并开发了专用软件，同时获得软件版权，此方面申请专利1项，并有100多个用户试用。获得北京市科学技术奖二等奖1项。. 3)A.实验上研制出了倏逝场耦合混合硅激光器，输出波长1.5μm波段，直流输出功率大于1.3mW，脉冲输出大于3.5mW,边摸抑制比大于33dB； B.基于直接键合硅波导输出高热导型激光器实现室温直流工作，单模输出2.3mW，220mA注入电流下边摸抑制比达到36dB； C.提出了低对称度硅基微腔激光器，通过降低腔体对称性有效降低腔体激射模式数量，实验上实现单模激射，波长1515nm，输出功率为320uW,边模抑制比为27dB；D.用于大容差耦合输出激光器阈值最小30mA，单模输出功率40mW左右，边模抑制比达到53dB，斜率效率约为0.15mW/mA，达到同类激光器最好水平； E.基于亚微米对准精度金属倒装键合的硅基激光器实现硅波导输出约为2mW,边模抑制比大于34dB,谱宽小于0.1nm。. 4）发表相关论文10篇，其中SCI检索7篇，EI检索2篇，国际会议1篇。申请发明专利和版权10项，授权6项。获得北京市科学技术奖1项。培养博士生3位，硕士生2位。其中江斌博士获得中科院优秀博士学位论文。