硅激光器

光子集成芯片你知道吗？三种硅基激光器详解
 硅基激光器是用于硅基光子集成芯片的重要器件，为硅基光电子集成芯片提供光源。

然而，由于硅材料本身的缺陷，很难用于实现硅基红外光源。

因此，如何实现硅基激光器是硅基光子学的研究热点之一。

 目前，硅基激光器主要有三个技术方向：1.将半导体激光器封装在Laser-Box中，通过光栅耦合器耦合进硅波导中；2.将III-V族的DFB芯片倒装焊（flip-chip）在SOI晶圆上，将光通过端面耦合进硅波导；3在SOI晶圆键合III-V族材料，然后再制作激光器，通过倏逝波耦合将光耦合进硅波导。

 方案1以Luxtera为代表，通常在实用中需要定制大功率的激光器芯片。

参考图1。

 图1 、Luxtera开发的硅基激光器
 方案2，欧洲和日本的研究单位研究的较深入，它将III-V族的DFB芯片通过端面耦合到SOI的光回路中。

在工艺方面，这种方案对于DFB芯片波导和Si波导对准及端面反射的要求非常严格，通常要求对准精度Intel为代表，将III-V材料通过wafer-bonding的方式键合在SOI晶圆上，利用硅波导。

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。

硅在电子材料中的应用领域硅是最常见的半导体材料之一，在电子材料领域具有广泛的应用。

本文将从硅在半导体器件、光电子器件和太阳能电池等方面的应用进行阐述。

首先，硅在半导体器件中的应用广泛而重要。

半导体器件是电子产品中最基本的组件，如晶体管、集成电路和电子计算机等，而硅是制造这些器件的关键材料之一。

在半导体器件中，硅是一种常用的基底材料，它具有良好的机械性能和稳定的性能，并且可以通过不同的掺杂来改变其导电性质。

通过控制硅材料的结构和掺杂方式，可以制造出不同类型的半导体器件，例如PN结、场效应管和双极晶体管等。

整个现代电子行业都离不开硅材料的应用。

其次，硅在光电子器件中也发挥着重要的作用。

光电子器件是将光能转化为电能或利用光来处理信息的器件，例如光电二极管和激光器等。

在光电二极管中，硅材料作为光电基底具有良好的光电特性和稳定性，能够快速、高效地转化光信号为电信号。

激光器是一种利用激光辐射放大的设备，常用于通信、医疗和材料加工等领域。

硅材料作为光电基底可以实现高效的能量传输和控制，在激光器中被广泛使用。

另外，硅在太阳能电池领域也有重要应用。

太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，在可再生能源领域具有重要意义。

硅太阳能电池通常采用单晶、多晶或非晶硅材料制造，这些材料具有较低的能带宽度和较高的光电转换效率。

硅太阳能电池具有良好的耐久性和稳定性，并且在光照较弱的情况下也能有效工作。

目前，硅太阳能电池是商业化应用最广泛的太阳能电池技术之一。

此外，硅材料还广泛应用于电子封装和散热材料等方面。

在电子封装中，硅材料作为芯片的载体能够提供良好的机械支撑和保护，同时也能够有效地散热。

硅材料具有优良的导热性和导电性能，可用于制备高效散热材料，提高电子设备的稳定性和可靠性。

综上所述，硅在电子材料中具有广泛的应用领域。

它在半导体器件、光电子器件和太阳能电池等方面发挥着重要的作用，并且在电子封装和散热材料中也具有重要地位。

随着科学技术的发展和需求的增加，硅材料在电子材料领域的应用前景仍然十分广阔。

硅基激光器原理
硅基激光器是一种基于硅材料的激光器。

通常情况下，硅材料是无法直接产生激光的，因为硅是间接带隙半导体材料，其能带结构限制了光子的辐射。

然而，通过一些特殊的结构设计和技术改进，硅基激光器可以实现激光输出。

硅基激光器的工作原理主要涉及硅材料和其他辅助材料，如掺杂材料和波导结构。

以下是硅基激光器的工作原理的概述：
1. 掺杂：硅材料通常较难实现直接辐射，因此使用掺杂技术来改变硅的能带结构。

通过掺入适当的杂质，例如磷(P)或铜(Cu)，可以实现更直接的能带结构，从而改变硅的光特性。

2. 波导结构：硅基激光器通常采用波导结构来增强光的传输和反射。

波导可以通过控制硅层的折射率来实现，从而将光限制在硅波导中。

3. 注入电流：在硅波导中，注入电流可以通过电子和空穴的复合来产生光子。

通过应用合适的电场和电流，可以激发掺杂材料中的电子和空穴，并在注入区域产生光。

4. 反射和放大：波导结构中的反射镜将光反射回注入区域，增强光子的发射。

同时，掺杂材料中的激发态可以通过受激辐射放出更多的光子，实现光的放大。

5. 反馈和振荡：当放大的光超过一定程度时，反射镜的反射将形成正反馈回路。

在正反馈的作用下，光能量可以在波导中被
反复反射和放大，最终形成激光输出。

值得注意的是，硅基激光器的制造和工作原理相对复杂，通常需要特殊的技术和设备来实现。

然而，由于硅材料的丰富性和成熟的半导体工艺，硅基激光器在集成光子学和光通信等领域具有巨大的潜力。

探析硅光学技术的原理、种类及优势当互联网流量在用户和数据中心之间传递时，越来越多数据通信发生在数据中心，让现有数据中心交换互联变得更加困难，成本越来越高，由此技术创新变得十分重要与紧迫。

现在有一种半导体技术——硅光子，具有市场出货量与成本成反比的优势，相比传统的光子技术，硅光器件可以满足数据中心对更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和可靠性的依赖。

微电子技术按照“摩尔定律”飞速发展已有五十几年了，但随着器件的特征尺寸减小到十几个纳米以下，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进已面临挑战。

器件的速度、功耗和散热已经成为制约微电子技术发展的瓶颈。

另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。

仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。

因此，应用“硅基光电子技术”，将微电子和光电子在硅基平台上结合起来，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，大规模集成带来的低廉价格，以及光子器件与系统所特有的极高带宽、超快传输速率、高抗干扰性等优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。

什么是硅光技术?硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI 等)，利用现有CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。

这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够降低成本。

硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用。

万方数据　万方数据３期燕路等：硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用５４９的ｐ－ｉ—ｎ结构有效地降低了自由载流子的有效寿命，他们采用标准微电子工艺制作了第一个连续波长硅基拉曼激光器。

激光器结构如图１所示［２７。

脊型波导是在未掺杂的ＳＯＩ结构Ｓｉ的［１００１表面上：通过标准的光刻和蚀刻工艺制成，在其两侧的平板分别注入硼和磷形成ｐ－ｉ—ｎ结构，反偏的ｐ－ｉ—ｎ二极管大大降低了ＴＰＡ引发的载流子吸收。

当给它加反偏电压时，ＴＰＡ产生的电子一空穴由于受到ｐ－ｉ－ｎ结构的电场作用，被迅速地清除出了波导区，因此有效载流子寿命随着反偏压的增强而减小。

这一结构成功得到｜ｒ稳定的边模抑制比为５５ｄＢ，线宽小于８０ＭＨｚ的单模激光输出。

其激光阈值依赖于反偏电压，波长可通过改变抽运波长调节。

图１第一个连续硅基拉曼激光器结构示意图∞３Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔＣＷｓｉｌｉｃｏｎＲａｍａｎｌａｓｅｒＣ２７】硅基拉曼激光的实现是硅激光领域内的重要突破，但足它仍然只实现了红外波段激光，未能实现可见光波段激光。

在Ｉｎｔｅｌ报道了他们的拉曼激光后，Ｓｔｅｃｌｄ研究组阳８］寅布，他们研制成功世界卜第一个可见光波段的硅激光器。

他们在硅衬底上用分子束外延技术生长了Ｅｕ３＋掺杂的多层ＡＩＧａＮ结构，实现了室温下阈值约为１１７ｋＷ／ｃｒｎ２，波长６２０ｎｌｎ的激光输出。

２００８年，Ｒｏｎｇ研究组乜列又报道了级联式拉曼激光，利用受激拉曼散射的级联效应将硅基拉曼激光波长拓展至１６８６ｎｍ和１８４８ｎｍ。

这一激光器采用环形谐振腔和１５５０ｎｍ光抽运，实现了稳定的、连续的、输出功率超过５ｍＷ、线宽小于２．５ＭＨｚ的１８４８ｎｍ二阶级联激光，为实现更高阶拉曼激光铺平了道路。

尽管上述研究已经取得突破性进展，但是仍然面临一个问题：即以上述及的激光器都需要抽运光激发，若想将硅基激光器完全地单片集成，就必须实现载流子注入（电抽运）形式的激光光源。

vcsel激光器工作原理VCSEL（可变外延结构激光器）是一种新型的激光器，与氦氖激光器相比，它具有更小的尺寸、较高的功率、较低的功耗以及更低的成本。

据估计，它可能会在未来几年里不断改善，从而成为众多工业界、医疗界和科学界的最爱。

VCSEL的名字源于它的ATMEMC（可变外延结构激光器）结构，该结构采用激光量子点（LQD）来实现激光发射。

VCSEL是一种半导体激光器，它由金属（通常是铜或铱）与半导体（如硅）构成。

它以金属极（堆叠层）和金属电极（用于加在堆叠层）为基础，并以六角形和八角形激光量子点（LQD）为中心。

金属极将电流封装到LQD中，而LQD又分布在堆叠层中，使得堆叠层下的金属电极与堆叠层上的金属极和LQD（半导体）之间形成了一个非常紧凑的结构。

LQD被电流释放出来时，它会发出低功率的可见光和近红外光，这就是VC激光器的发射原理。

这种激光器的输出功率可以有效地控制，使用者可以根据自己的需要调节功率以获得最大的精度或最低的功耗。

由于激光器内部可变外延结构（ATMEMC），它可以产生大功率、固定频率（小偏差）、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用。

此外，VC激光器还可以用于光学传感器应用，比如非接触式光速测量仪。

它利用激光器明确每个光学路径上的物体位置，从而改变光学路径的时间。

VC激光器的小尺寸和低功耗对这种应用尤为重要。

最后，VC激光器还可以用于光纤通信设备。

这种激光器可以用来收发光信号，从而实现高速数据传输。

VC激光器可以很容易地把数据信号转换为光信号，并使用多模光纤将信号传输到远程地点。

这可以大大降低传输数据的成本，同时节省电力和实现高速传输。

总之，VC激光器因具有小尺寸、较高功率、较低功耗和更低的成本而受到越来越多的关注，并可能在工业、医疗和科学等各个领域取得发展。

VC激光器的原理是通过电流释放LQD以及改变ATMEMC结构，使得它可以产生高功率、固定频率、宽带发射波形，因此VC激光器常用于激光打印、激光雕刻、激光焊接以及激光投影等应用中。