[發(fā)明專利]具有面內(nèi)耦合的混合硅垂直腔激光器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010624663.2
• 申請(qǐng)日: 2010-12-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102142656A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: B·R·科赫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 英特爾公司
• 主分類號(hào): H01S5/183
• 分類號(hào): H01S5/183;H01S5/20;H01S5/34;H01S5/187
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 葉曉勇;王洪斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)垂直腔(cavity)激光器，更具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)在面內(nèi)(in-plane)基于波導(dǎo)光子集成電路中使用的混合硅/III-V垂直腔激光器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

雖然硅是引導(dǎo)光線的優(yōu)良材料并且能以高數(shù)據(jù)速率檢測(cè)和調(diào)制光線，但它仍然不能有效地生成大量的光線。硅由于稱作間接帶隙(bandgap)的基本限制而可能是低效發(fā)光體。間接帶隙阻止硅中原子在施加電荷時(shí)發(fā)射大量光子。硅反而趨向于發(fā)射熱量。

在硅材料上生成光線的一種方式是所謂的混合硅短暫(evanescent)平臺(tái)。磷化銦是包括砷化鎵的幾種特殊材料中之一，它在施加電壓時(shí)發(fā)射作為光線光子的能量。兩種材料可用于制作激光二極管，并且在元素周期表上稱作‘III-V材料’，因?yàn)樗鼈兿碛邢嗨铺匦浴?/p>

混合硅短暫平臺(tái)方式涉及使用晶圓(wafer)接合(bonding)來(lái)將能夠在用于引導(dǎo)光線的絕緣體上硅(SOI：silicon-on-insulator)晶圓上發(fā)射光線的III-V半導(dǎo)體材料固定到位。采用適當(dāng)?shù)墓璨▽?dǎo)設(shè)計(jì)，通過(guò)電流注入在III-V材料中生成的光線被自動(dòng)耦合到硅波導(dǎo)中，并且激光被有效地耦合到硅波導(dǎo)。這些激光器的若干示例已經(jīng)被證明，并且其優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在被廣泛接受。

但是，這些激光器由于其面內(nèi)結(jié)構(gòu)而存在一些固有缺點(diǎn)。至今，面內(nèi)激光器尚未證明垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的高壁板(wall-plug)效率(即總能量效率)。垂直腔激光器還固有地具有帶較低調(diào)制功率的較高直接調(diào)制帶寬。VCSEL的優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生于對(duì)垂直腔激光器是可能的極低閾值電流，并且這可歸因于包括短的腔長(zhǎng)度以及與量子阱(well)(增益)材料的高電場(chǎng)重疊的影響的組合。如果使用VCSEL，則存在例如對(duì)齊(alignment)問(wèn)題的其它問(wèn)題。當(dāng)前方法涉及在硅之上接合單獨(dú)VCSEL或者從硅芯片邊緣耦合激光器的管芯(die)。兩種方法均費(fèi)時(shí)，并且要求靈敏的對(duì)齊技術(shù)。

圖1是示出對(duì)于前鏡和后鏡具有不同反射率乘積(product)的VCSEL的模擬和實(shí)驗(yàn)性閾值電流的圖表。雖然結(jié)果也可根據(jù)用于形成激光器有源(active)部分的準(zhǔn)確材料而改變，但是顯然，可得到極低閾值，并且這通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到證明。當(dāng)今按常規(guī)得到低于1mA的閾值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明一方面涉及一種設(shè)備，包括：絕緣體上硅(SOI)襯底；所述SOI襯底上的硅波導(dǎo)；在所述硅波導(dǎo)上制造的光柵(grating)耦合器；以及垂直III-V半導(dǎo)體裝置，在所述光柵耦合器上方接合到所述SOI襯底，其中通過(guò)所述光柵耦合器將激光從所述垂直III-V半導(dǎo)體裝置橫向耦合到所述硅波導(dǎo)中。

本發(fā)明另一方面涉及一種方法，包括：在絕緣體上硅(SOI)晶圓上形成波導(dǎo)；隨所述波導(dǎo)在橫向平面在所述SOI晶圓上形成光柵耦合器；將III-V半導(dǎo)體材料接合到所述SOI晶圓；以及采用所述III-V半導(dǎo)體材料制造激光器。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合整體組成本發(fā)明公開(kāi)的一部分的附圖來(lái)閱讀布置和示例實(shí)施例的以下詳細(xì)描述以及權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的上述內(nèi)容以及對(duì)本發(fā)明的更好理解將變得顯而易見(jiàn)。雖然上述及以下書(shū)面所述公開(kāi)集中于公開(kāi)本發(fā)明的布置和示例實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)清楚地理解，它們只是作為說(shuō)明和示例，而本發(fā)明并不局限于此。

圖1是針對(duì)具有不同反射鏡性質(zhì)的VCSEL的閾值電流示出模擬和實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)的圖表；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的耦合到面內(nèi)硅波導(dǎo)的混合垂直腔激光器的側(cè)視圖；

圖3是針對(duì)不同啁啾(chirp)參數(shù)光柵示出歸一化背反射(在右軸線上)的圖表；以及

圖4是供根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的激光器使用的III-V材料的示例外延層結(jié)構(gòu)(epistructure)的截面圖。

具體實(shí)施方式

所述的是硅上類VCSEL激光器。通過(guò)將垂直腔激光器的高效率和調(diào)制帶寬與面內(nèi)硅光子的光線引導(dǎo)、復(fù)用、檢測(cè)和調(diào)制能力相組合，可獲得優(yōu)點(diǎn)。

整個(gè)說(shuō)明書(shū)中提到“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”表示結(jié)合該實(shí)施例所述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中各個(gè)位置的出現(xiàn)不一定都表示同一個(gè)實(shí)施例。此外，具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可按照任何適當(dāng)方式結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。