光子集成芯片你知道吗？三种硅基激光器详解

２ ＳＰＣＳＬ基本结构和工作原理
２．１ 基本结构 ＳＰＣＳＬ主要由两部分组成，包括半导体增益
芯片或反射式半导体光放大器（ＳＯＡ）和 ＳＰＣ外 腔谐 振 器，二 者 通 过 模 斑 转 换 器 （ＳＳＣ）高 效 耦 合 实现准单片集成。通常增加谐振腔长度可以有效 压窄线宽，但是这将导致纵模激射数量增多，纵模 间增益差减小，多模振动变得显著，使获得稳定单 模振荡和极窄光谱线宽变得困难。在 ＳＰＣＳＬ激 光器中，通 常 选 择 高 Ｑ 值 因 子 的 微 环 谐 振 器 （ＭＲＲ）作为选频和锁模元件，因为 ＭＲＲ具有较
Δλ
＝λ２ ｃ
ＦＳＲｒｉｎｇ１·ＦＳＲｒｉｎｇ２ ＦＳＲｒｉｎｇ１ ＋ＦＳＲｒｉｎｇ２
，
（１）
其中，ｃ为 真 空 中 的 光 速，λ为 波 长，ＦＳＲｒｉｎｇ１和 ＦＳＲｒｉｎｇ２分别为两 ＭＲＲ的自 由 光 谱 范 围，由 公 式 （２）给出：
波长的调谐主要利用游标效应和波导材料的 热光效应来实现。热光效应即材料的有效折射率 随着温度的改变而改变，折射率的改变进而引起 光场的变化［１９］。因此，可通过在微环上放置热电 极来改变材料的温度，并控制热电极的电流来改 变波导折射率，使 ＭＲＲ透射光谱与纵模发生偏 移，进行波长调谐。但由于热光调谐的热积累和 消散需要一定的时间，所以高速调制仍是需要解 决的问题。图 ２（ａ）给出了集成 ＭＲＲ和环形镜 （ＬＲ）的 ＳＰＣ外腔结构，图 ２（ｂ）和 ２（ｃ）表示波长 选择和波 长 调 谐 原 理，其 波 长 调 谐 范 围 Δλ与 ＭＲＲ的自由光谱范围相关，可用公式（１）表示为：
目前，窄线宽半导体激光器的研究方案众多， 包括基于衍射光栅、标准具等分立元件的外腔结 构、集成取样光栅或表面光栅的单片集成结构以 及硅基 光 子 芯 片 （ＳＰＣ）外 腔 的 准 单 片 集 成 结 构［６１４］。尽管分布反馈（ＤＦＢ）和分布布拉格反射 （ＤＢＲ）式单片集成激光器具有集成度高、结构紧 凑和功耗低等优点，但其线宽严重受限于谐振腔 长度及损耗等因素［１５］；衍射光栅外腔激光器虽然 线宽性能优异、调谐范围广，但其体积较大、封装

一文带你认识第三代半导体材料双雄——碳化硅VS氮化镓进入21世纪以来，随着摩尔定律的失效大限日益临近，寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。

在多位选手轮番登场后，有两位脱颖而出，它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。

SiC早在1842年就被发现了，但直到1955年，才有生长高品质碳化硅的方法出现;到了1987年，商业化生产的SiC进入市场;进入21世纪后，SiC的商业应用才算全面铺开。

相对于Si，SiC的优点很多：有10倍的电场强度，高3倍的热导率，宽3倍禁带宽度，高一倍的饱和漂移速度。

因为这些特点，用SiC制作的器件可以用于极端的环境条件下。

微波及高频和短波长器件是目前已经成熟的应用市场。

42GHz频率的SiC MESFET，用在了军用相控阵雷达、通信广播系统中，用SiC做为衬底的高亮度蓝光LED则是全彩色大面积显示屏的关键器件。

现在，SiC材料正在大举进入功率半导体领域。

一些知名的半导体器件厂商，如ROHM，英飞凌，Cree，飞兆等都在开发自己的SiC功率器件。

英飞凌公司在今年推出了第五代SiC肖特基势垒二极管，其结合了第三代产品的低容性电荷(Qc)值与第二代产品的正向电压(Vf)水平相结合，使PFC电路达到最高效率水平，击穿电压则达到了650V。

飞兆半导体发布了SiC BJT，其实现了1200V的耐压，传到和开关损耗相对于传统的Si器件降低了30～50%，从而能够在相同尺寸的系统中实现高达40%的输出功率提升。

ROHM公司则推出了1200V的第二代SiC制MOSFET产品，其实现了SiC-SBD与SiC-MOSFET的一体化封装，比Si-IGBT相比，工作损耗降低了70%，并可达到50kHz 以上的开关频率。

值得一提的是，IGBT的驱动比较复杂，如果使用SiC基的MOSFET，则能使系统开发的难度大为降低。

SiC的市场颇为被看好，根据预测，到2022年，其市场规模将达到40亿美元，年平均复合增长率可达到45%。

光器件和芯片的结构介绍光器件和芯片是光通信、光电子和光学等领域中重要的元器件，具有将光信号转换和处理的功能。

光器件是指用于控制、调制、放大、分束、耦合和检测光信号的器件，如光纤、光电二极管、激光器等；而芯片是指在半导体材料上制造的微小元件，通过对光电子学原理的应用，实现对光信号的处理和控制。

本文将介绍光器件和芯片的结构、功能和应用。

一、光器件的结构与功能1.光电二极管光电二极管是一种半导体器件，主要由p-n结构组成。

当接受到光信号时，光子激发了半导体材料中的载流子，产生电流，从而实现光信号到电信号的转换。

光电二极管广泛应用于光通信、光电检测和传感等领域。

2.光纤光纤是一种细长且透明的光导波导管，由芯部和包层构成。

光信号通过光纤中的总反射传输，可以减少信号衰减和互相干扰，实现高速、远距离的数据传输。

光纤在通信、网络和传感等领域中具有重要应用价值。

3.激光器激光器是一种将电能转换为光能的器件，主要由激活件、反射腔和光输出系统等组成。

激光器通过激发激活件中的电子跃迁，产生一种具有相干性和高亮度的激光光源。

激光器在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。

4.光调制器光调制器是一种用于调制光信号的器件，主要分为强度调制器和相位调制器两种。

强度调制器通过调节光信号的强度来实现信号的调制，而相位调制器则通过调节光信号的相位来实现信号的调制。

光调制器广泛应用于光通信、激光雷达和光谱分析等领域。

5.光检测器光检测器是一种用于检测光信号的器件，主要包括光电二极管、光电倍增管、光电子管等。

光检测器可以将光信号转换为电信号，并进行放大和处理，用于光通信、光谱分析和光学成像等领域。

二、光芯片的结构与功能1.光波导光波导是一种用于光信号传输和耦合的微型结构，主要由光导芯部和包层构成。

光波导可以实现将光信号引导在芯部中传输，并通过布拉格光栅、光环等结构实现信号的调制和耦合。

光波导在光通信、传感和信息处理等领域中有着重要的应用。

会“发光”的芯片——混合硅激光技术解析光的速度让我们叹为观止，你是否想过有一天，计算机的速度就像光那样快？或许你认为这是天方夜谭，但科学家正不遗余力地把这一想法变成现实。

2006年9月18日，来自英特尔公司和美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员成功研发了世界首个采用标准硅工艺制造的混合硅激光器（Hybrid Silicon Laser），这项技术的突破有望把计算机带入光速时代。

光是如何与硅芯片擦出“爱”的火花呢？人们为何垂青硅激光芯片？硅激光芯片就是可以让激光通过的硅芯片，同今天我们熟悉的电子计算机不一样，它是以激光作为数据传输的载体。

当硅激光芯片广泛应用于计算机内部时，陪伴我们多年的电子计算机就要开始改名换姓了，它将被全新的名称——“光计算机”所代替。

以激光作为计算机数据的传输载体，其优势早就为科学家们所熟知。

其一，数据传输带宽将达到令人难以相信的程度。

我们知道，光的传播速度高达每秒30万公里，而电子的传播速度仅为每秒593公里，两相比较，电子的运动速度慢得就像蜗牛在爬。

光的极速特性决定了它在传输带宽上的提升潜力，今天我们在为传输带宽的提升而绞尽脑汁，明天只需几条光束就可以达到同样甚至几倍的水平，这就是光计算机的魅力！其二，并行运算处理将变得更加容易。

在当前的服务器领域，AMD的HyperTransport总线备受欢迎，一个重要的原因就是它可以让并行运算更加高效。

不过在光计算机的眼里，HyperTransport的这点功夫根本不值一提。

电子是沿固定线路流动的，我们无法随意改变它流动的方向，而光就不一样了，我们可以利用反射镜、棱镜、分光镜等光学设备，随意控制和改变光的方向，这样一来，数据就能轻而易举地流动到不同的处理核心，核心之间的数据交换将变得更加高效，多处理器的并行运算将迎来一个崭新的时代。

其三，有助于芯片体积进一步缩小。

电子计算机利用电子传输信息，容易受磁场影响，而光计算机利用光子传输信息，不会受磁场影响，而且光线相交时也不会互相干扰。