硅基III-V族混合集成激光器的关键特性研究

硅基光互连取代电互连成为大势所趋。现阶段实现硅基片上光源的最实际方法是采用硅基III-V族混合集成激光器，故其关键特性分析和结构优化设计工作至关重要。本项目着重研究其模式特性和热特性。通过分析，将混合激光器模式问题归结并分解为两个子问题，即波导本征模问题和本征模之间的模式转换问题，从而把一个复杂问题转化为两个具有成熟求解方法的简单问题；通过优化设计波导截面和模式转换结构，以分别增大模式有源层限制因子和减小模式过渡损耗，从而降低阈值电流和提高出光效率；分析指出混合激光器的散热效果不佳，从而引入对其热特性的研究；提出改进热特性的方案，确保激光器以连续模式运转；尝试制作混合激光器并测试其特性，以验证理论分析。本项目旨在掌握硅基混合集成激光器的关键特性，建立相关模型和研究方法，为器件性能优化设计提供科学依据和技术方案，并为硅基光互连（特别是硅基光源）研究领域提供理论知识和技术储备。

本项目主要研究硅基III-V族混合激光器的模式特性和热特性，以及相关设计、制备及测试技术。在项目执行期间主要完成了以下工作：. 1、建立了混合激光器的模式分析模型及研究方法。研究中引入双层锥形结构作为模式转换结构，即使得增益区的光模式具有足够大的有源区限制因子，又使得其向 SOI光波导模式转换效率足够高，实现了增益区模式向SOI波导模式的高效光耦合。. 2、建立了混合激光器的热特性分析模型。通过热学仿真计算，发现普通硅基III-V族混合激光器在工作中产生的热量将无法有效的释放出去，从而影响其连续模式工作性能。为了解决该问题，我们引入了一种集成热沉结构来改善其导热性能。这种结构可以有效降低混合激光器的热阻，提高最大输出功率，显著改善了混合激光器的工作性能。. 3、对硅基III-V混合集成工艺进行了研究，探索出了一套稳定可靠的制作硅基III-V混合激光器的工艺流程及参数。据此我们成功制作出了Si/III-V混合集成微盘激光器，并分别在光泵浦和电泵浦两种方式下测试了其性能。. 4、作为本项目研究内容的延续，我们进一步开展了硅基混合探测器相关研究工作。采用本项目开发的混合集成键合工艺和波导光栅垂直耦合方案，设计并制作了硅基混合光探测器，其暗电流及带宽分别为1nA和6.3GHz。. 通过项目组的不懈努力，本项目各项研究内容都已顺利完成，达到项目任务书的各项指标，产出了一系列研究成果，并在硅基光电集成领域培养了多名研究生。其中，发表标注受本项目资助的SCI论文13篇；协助课题组培养博士研究生3名，硕士研究生1名。. 通过本项目研究，课题组解决了硅基III-V族混合集成激光器性能改进的若干关键科学问题，建立起从仿真设计到加工测试的完善的硅基混合集成研究平台，为后续的深入研究工作奠定了坚实的基础，并为硅基光互连（特别是硅基有源器件）研究领域提供了丰富的理论知识和技术储备。