[發明專利]混合集成激光器及其制備方法

無效

• 申請號: 201210175247.8
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102684072A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 郭霞;武華;韓明夫
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01S5/40
• 分類號: H01S5/40;H01S5/183
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 王秀麗

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，尤其涉及一種混合集成激光器及其制備方法。

背景技術

光互連是指用光子代替電子作為信號載體實現信號傳輸和交換，具有高速率、大容量、低串擾、低延時、低功耗等優點，是解決信息系統能耗問題的關鍵技術之一，目前的一個關鍵問題就是如何實現電泵浦硅基激光，這已經成為實現片上光互連的瓶頸。該領域研究雖然取得很多重要的進展，例如拉曼激光器，在硅襯底上外延GeSi/Si，或者GaSb/GaAs激光器，稀土摻雜Si/SiO₂發光器件，微腔激光器，采用光子晶體納米腔的方式等等，但是這些器件結構或者由于光泵浦的原因，或者因為壽命、效率等原因，無法真正應用于片上光互連。

美國加州大學伯克利分校J.Bowers教授于2005年提出了一種新型激光器結構——硅基混合激光器，它是指將III-V族半導體激光器與Si波導通過直接或者介質輔助鍵合的方式集成在一起的新型激光器，當III-V族激光器有源區與Si波導空間距離很近，在III-V族激光器中的激光通過倏逝波耦合的方式耦合進入Si波導中，因此可在波導中進行激光信號傳輸。這種混合激光器既利用了III-V族直接帶隙材料的發光效率高的優勢，又與硅基兼容，為硅基激光光源提供新的思路。但是這種混合激光器閾值高，效率低，造成系統功耗大，還有由于激光光源尺寸大，集成度低，無法做到真正的實用。

因此，當下需要迫切解決的一個技術問題就是：如何能夠提出一種有效的措施，以解決現有技術中存在的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，針對現有硅基混合激光器在面向實用化遇到的問題，提供一種混合集成激光器及其制備方法，以有效的實現功耗低、集成度高和實用化的激光光源。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種混合集成激光器，包括依次縱向層疊的襯底1、將光實現90度偏轉功能的光耦合器2、鍵合層3和垂直腔面發射激光光源4。

進一步地，所述光耦合器2為光柵耦合器或高對比度光柵結構，實現垂直入射的光偏轉90度的功能；其主要結構包括兩個部分，一是光柵結構部分，二是波導結構部分，根據動量守恒定律，當光柵在水平方向的傳播常數K₁等于波導結構的傳播常數K₂時，垂直入射的光將發生90度偏轉。

進一步地，所述光耦合器2采用硅、二氧化硅、SOI、InP、GaAs或玻璃材料制成。

進一步地，所述鍵合層3通過直接鍵合、媒質鍵合或倒裝焊的方式產生。

進一步地，所述媒質采用BCB、ITO或PEDOT導電透光物質。

進一步地，所述垂直腔面發射激光光源4采用GaAs基、InP基、GaN基、ZnO基量子阱、量子線或量子點激光器。

進一步地，所述垂直腔面發射激光光源4為單模或多模器件，其激射波長λ需要與光耦合器2的波導結構的傳播常數相匹配，即

同時，本發明還提供了一種混合集成激光器的制備方法，包括：

在SOI硅片的硅膜上制備出硅光柵耦合器；

利用外延生長的方法制備化合物半導體激光器結構；

在激光器結構上制備成單元器件或者陣列；

將單元器件或者陣列結構與光耦合器對準，并將半導體激光器直接或者間接鍵合在光耦合器上，將激光耦合到波導中，使得光從垂直方向實現水平方向傳輸，從而形成有源的激光光源與無源的光耦合器在縱向上集成的光源，用于片上光互連。

進一步地，所述制備方法采用的設備包括：MOCVD、MBE、ICP、電子束曝光機、光刻機、蒸發鍍膜設備和顯微鏡。

綜上，本發明提供了功耗低的光源：垂直腔面發射激光光源，與邊發射激光器相比，由于有源區體積小，通常實現單模的有源區體積小于5微米，且效率高，因此功耗小，有利于降低整個片上光互連系統的功耗。其次，由于垂直腔面發射激光光源體積小，與現有半導體激光光源相比，可大大提高集成度，且垂直腔面發射激光光源易實現二維集成。還有，有源器件垂直激光光源與能夠將光實現90度轉折傳輸的無源耦合器件相集成，能夠將激光信號直接耦合到波導中，從而實現光信號的水平傳輸和調制。

通過本發明所提供的混合集成激光光源可以作為有效的片上光互連光源，應用于硅基光電集成和光互連等眾多領域，可以用于集成化生產。與現有片上光互連用激光光源相比，具有功耗低、集成度高的優點，且易于制備二維陣列。

附圖說明

圖1是本發明的混合集成激光器的結構示意圖；

圖2（a）-（e）是本發明的混合集成激光器的制備方法流程示意圖。

具體實施方式