超紧凑硅基/III-V族异质混合激光器基础研究

By exploiting standard CMOS foundries, Silicon photonics have rapidly matured and are now being considered as the promising technology for high performance computing and high speed communication. However, full take-up is slowed down by the limited availability of lasers and amplifiers directly integrated with this platform. So far, the III-V laser bonded to the silicon platform is the most effective and practical way to realize silicon lasers. In this method, efficient coupling between silicon waveguides and III-V waveguides is critical, together with the compactness and fabrication tolerance. Hence, it’s very important to study the physics behind and optimize the coupler design. Due to the strong mode confinement, the slot waveguide will be studied and designed as the adiabatic taper coupler, together with the multilevel processed III-V waveguide coupler, to make possible high coupling efficiency, ultra-compactness and ease of fabrication and cost. This silicon III-V heterogeneous integrated laser will also have broadband wavelength range and increase the integration level. The aim of this project is to well understand the key characteristics behind the silicon heterogeneous laser, establish the corresponding theoretical model, fabricate the ultracompact and practical silicon heterogeneous laser for optical interconnects.

由于硅是间接带隙半导体，稳定可靠的硅基光源成为硅光子学领域发展瓶颈。硅基III-V族键合集成激光器迄今为止是最为接近器件系统性能需求的方案。而其中硅基波导和III-V激光器之间耦合是最为关键的技术，不仅需要提高耦合效率，还需要紧凑，高带宽和有较好的加工容差性，故其关键特性分析和结构设计工作至关重要。本项目将通过探索硅基狭缝波导增强倏逝场超模耦合选模机制和III-V族波导的多层渐变刻蚀绝热耦合结构，集中精力解决单模激射和耦合输出问题，实现超紧凑，高效耦合的结构，同时通过优化设计降低工艺要求和成本。该激光器具有高集成度，多波长工作等特点。本项目旨在掌握硅基III-V族键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，并为超紧凑实用化硅基光源提供理论知识和技术储备。

硅基光电子器件有高速、宽带、低功耗、低成本和CMOS兼容高集成度等诸多优点，是高速大容量光通信网络和数据中心片上光互连以及未来光机算的重要方向之一。而硅基介质超材料可应用于调控光传播的波前，从而操控光信号传输的自由度, 实现更小尺寸、更大宽带以及更低损耗的片上集成光子芯片。我们将从硅基片上介质超材料辅助的超紧凑高密度集成硅基光电子器件的角度，探索实现高性能和多功能的硅基激光器耦合，端面耦合，光模式，滤波等光场调控。首先，研制基于超材料倏逝波耦合结构的超紧凑硅基/III-V族异质混合激光器。探索了超材料波导增强倏逝场超模耦合选模机制和III-V族波导的多层渐变刻蚀绝热耦合结构，其耦合长度只和5μm。在波长1550nm时耦合效率达到98%，在100nm的宽带范围内耦合效率达到90%以上。其次，研制基于亚波长超材料结构的端面耦合结构。针对于透镜光纤设计的超材料双三叉戟SWG结构在1.55μm处耦合损耗为1.82dB，2-dB带宽为92nm,。针对于单模光纤优化的双三叉戟SWG超材料波导的耦合结构尺寸只有90nm, 在1550nm处TE/TM模式的耦合效率分别是2.22dB/端面和2.53dB/端面，最小平均损耗只有1.81dB/端面，其3dB带宽有120nm。再次，研制基于超材料结构的模式调控。能完成硅基波导模式TE0 到 TE1和TE2 的转换，尺寸分别为0.88×2.3µm2 和1.4×2.4µm2, 是目前模式转换的最小尺寸。同时提出了基于超材料的拓扑可重构单元。最后，研制了带宽可调滤波器。基于亚波长光栅超材料结构实现了耦合区尺寸小于100um的带宽4nm-10nm可调。基于纳米梁的环形级联结构同时实现了带通和带阻滤波器。基于马赫曾德干涉仪和微环级联结构，实现了超窄带带宽可调滤波器，可调范围240MHz 到1.375GHz。.这种超材料辅助耦合结构具有超紧凑、易制备、低损耗，大带宽的特性，在硅基光电子器件中是非常具有竞争力。通过本项目掌握了硅基片上超材料对于光场调控的关键物理机理，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，并为超紧凑实用化硅基光电子器件提供理论知识和技术储备。