为了研究量子阱结构对半导体环形激光器阈值电流的影响,从F-P腔激光器的振荡条件出发,分析了半导体环形激光器的阈值电流密度与量子阱结构参量的函数关系,并推导出最佳量子阱数的表达式.利用器件仿真软件ATLAS建立环形激光器的等效模型,仿真、分析了不同工作温度下,量子阱数、阱厚及势垒厚度对阈值电流的影响.结果表明,阈值电流随量子阱数和阱厚的增加先减小后增大,存在一组最佳值;在确定合适的量子阱数和阱厚后,相对较窄的势垒厚度有助于进一步降低阈值电流;采用GaAs/AlGaAs材料体系和器件结构,其最佳量子阱结构参量为M=3,dw=20nm及db=10nm.
激光器 半导体环形激光器 多量子阱 阈值电流 lasers semiconductor ring laser multiple quantum well threshold current
基于标准CMOS工艺的p+源/漏区和n阱, 设计了两种楔形瓣状结构的正向注入型硅基发光二极管(Si-LED), 采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺设计制备。测试结果表明, 正向注入型p+/n-well二极管的发射波长位于近红外波段, 峰值波长在1 130 nm附近, 且工作电压小于2 V, 与标准CMOS电路兼容。其中, 八瓣结构的Si-LED (TS2)在200 mA时的发光功率可达1 200 nW, 且未出现饱和, 而注入电流为40 mA时的最大功率转换效率达5.8×10-6, 约为四瓣结构器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作电压低、转换效率高等优点, 有望在光互连领域得到应用。
硅基发光二极管 正向注入 楔形结构 标准CMOS工艺 Si-based light emitting diode forward-injection wedge configuration standard CMOS technology
光子集成作为未来全光网络发展的必然趋势, 是实现高速光通信的重要解决方案。正如硅基集成电路的发展历程一样, 找到一种类似晶体管的基本集成单元, 并实现光子集成的大多数功能是目前光子集成技术中最迫切的问题。近年来, 由于半导体环形谐振器的功能多样性和可集成性, 使其最有可能成为光子集成的基本单元, 因而成为集成光子学、光通信和光信息处理领域的研究热点。文章在介绍半导体环形激光器工作原理和基本特性的基础上, 总结了InP基环形波导激光器在集成光源及光信息处理方面的应用和最新进展。
半导体环形激光器 单向双稳态 集成光源 光信息处理 磷化铟 semiconductor ring laser unidirectional bistability integrated light source all-optical signal processing InP
1 天津大学 电子信息工程学院， 天津 300072
2 天津工业大学 信息与通信工程学院， 天津 300161
采用无锡华润上华(CSMC) 0.5 μm 标准CMOS工艺，设计并制备了一种新型的高发光功率载流子注入型三端Si-LED器件。该器件在p型衬底上进行n+掺杂，与p衬底形成两个相对的n+p结，其中一个结正向偏置，发出峰值波长在1 100 nm附近的红外光；另一个结同样正偏，作为注入结对发光进行调制。测试结果显示：第三端注入载流子明显增强了总体的发光功率，在10 mA偏置电流、3 V调制电压下，可获得1 nW的光功率，与单结相比提高了两个数量级。由于工作电压低，该器件可与目前主流的CMOS工艺共电源单芯片集成，在光电集成领域具有一定的应用前景。
硅基LED 标准CMOS 发光器件 正向注入发光 光电集成 Si-LED standard CMOS light emitting device carrier injection OEIC
1 天津大学电子信息工程学院, 天津 300072
2 中国电子科技集团公司第13研究所, 河北 石家庄 050051
3 天津工业大学信息与通信工程学院, 天津 300160
由于半导体微环激光器(SML)具有波长转换、可调谐和光学双稳态等特点，因此成为全光逻辑和全光存储领域的研究热点。在分析背散射耦合系数与SML工作区域（双向连续波、双向交替振荡和单向双稳态）的基础上，优化设计了环形谐振腔的结构参数和工艺流程，研制出一种低阈值、直接进入单向双稳态工作的InP基微环激光器。测试结果表明，激光器的中心激射波长为1569.65 nm，阈值电流为56 mA，当驱动电流超过阈值电流后，器件可不经过双向工作区直接进入单向双稳态，降低了双稳态工作的电流和功耗，非常适合用作光随机存储器单元。
激光器 光学微腔 微环激光器 低阈值 单向双稳态 磷化铟
1 中国电子科技集团公司第十三研究所, 河北 石家庄 050051
2 天津大学电子信息工程学院, 天津 300072
随着集成光路和全光网络技术的发展，基于环形光谐振器结构的半导体环形激光器日益受到人们的关注，成为近年来集成光学领域的研究热点之一。设计制备了一种双直波导耦合输出半导体环形激光器,并进行了相应测试。该器件环形谐振腔波导宽度3.4 μm，环形腔半径349 μm，直波导与环形腔耦合间距1.0 μm，其阈值电流为36 mA，自由光谱范围(FSR)为0.33 nm，61 mA下激射光谱的中心波长为1566.66 nm，用光纤对准直波导口，测得直波导耦合光功率输出达到40 μW。通过该器件的光功率电流特性曲线，明显观测到了半导体环形激光器的双向工作、单向双稳态工作及交替振荡工作状态，并分析了在单向双稳态工作时，激射方向和非激射方向的光谱特性。
半导体激光器 环形谐振腔 低阈值 集成探测器 单向双稳态 光学学报
2010, 30(s1): s100217
利用有限元法(FEM)分析了大横截面SOI(Silicon-on-insulator)脊型波导的本征模式分布, 确定了脊型波导的单模条件。在保证单模传输的情况下, 模拟了SOI微环谐振器中波导耦合器的耦合长度、功率耦合系数与波导尺寸和间距的关系。模拟结果表明：对于W=1 μm, H=2 μm的SOI脊型波导耦合器, 耦合长度LC随波导间距d的增加而增大, 功率耦合系数随之减小。在波导间距d＜0.8 μm的情况下, 耦合长度LC随着归一化脊高r的增加而增大, 当d＞0.8 μm时, 耦合长度LC随r的增加而减小。模拟结果为SOI微环谐振器的设计和应用提供了理论依据。
集成光学 微环谐振器 单模条件 波导耦合器 integrated optics microring resonator single mode condition waveguide coupler
1 天津大学 电子信息工程学院, 天津 300072
2 天津工业大学 信息与通信工程学院, 天津 300161
3 中国科学院 半导体所, 北京 100083
采用0.35 μm 双栅标准CMOS工艺最新设计和制备了叉指型Si LED发光器件。器件结构采用n阱和p衬底结，n阱为叉指结构，嵌入到p衬底中而结合成Si pn结LED。观察了Si LED发光显微图形及实际器件的版图，并在对器件进行了正、反向I-V特性测试、光功率及光谱特性的测量。Si LED 的正向偏置时开启电压为0.9 V，反向偏置时在15 V左右可观察到发光。器件在室温下反向偏置时，10 V, 100 mA电流下所得输出光功率为12.6 nW，发光峰值在758 nm处。
硅 发光器件 标准CMOS工艺 silicon LED standard CMOS technology
对硅基微环光学谐振器建立了一种基于Spice的器件模型,该模型可以作为集成光路的基本元件应用于集成光路的计算机模拟。应用该模型分析了双环以及多环光学滤波器光路。计算得到双环光学滤波器耦合系数与系统增益以及3 dB带宽的关系,结果表明,微环数目越大,谐振特性越陡峭,具有更好的滤波特性。
集成光学 环形谐振器 等效模型 传输特性
1 天津工业大学信息与通信工程学院, 天津 300160
2 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
3 天津大学电子信息工程学院, 天津 300072
较详细地分析了用于全硅片上光互连所用光波导(如多晶 Si/ SiO2、Si/ SiO2、Si3N4/SiO2)需满足的基本条件、制作方法以及损耗机制, 总结了目前的研究进展。
光电子集成 光波导 互补型金属氧化物半导体(CMOS) 硅
