專利名稱：混合垂直腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供光至與成熟硅加工技術(shù)相容的硅平臺(tái)(silicon platform)上的光子回路(Photonic Circuit)。尤其，本發(fā)明涉及通過(guò)使用光柵鏡(Grating-Mirror)垂直腔激光器(Vertical-Cavity Laser)提供光至此種回路。
背景技術(shù)：
在硅基光子回路中集成微小且高效電泵浦(electrically pumped)光源的挑戰(zhàn)是熟知的。Gunn (Photonics Spectra，2006年3月，第62-67頁(yè))描述了這種挑戰(zhàn)并提出一種解決方案，其中光由非集成的外部激光源提供。經(jīng)一條光纖，將光引導(dǎo)至集成的全息透鏡并且因而與一集成的波導(dǎo)耦合。這種方法具有需要繁瑣校準(zhǔn)和后續(xù)封裝的缺點(diǎn)。Fang 等人(Optics Express, 14，第 9203 頁(yè) Q006))描述了邊發(fā)射電泵浦 AlfeiInAs-硅迅衰激光器(evanescent laser)架構(gòu)。該架構(gòu)是與絕緣體(SOI)襯底上的硅鍵合的晶片以及完全被下方SOI襯底中的硅波導(dǎo)所限定的激光腔。盡管基于邊發(fā)射激光器的解決方案提供與光子回路的容易的耦合，但是它們具有相對(duì)高的電力消耗和非本征 (non-intrinsic)單模(single mode)控制的缺點(diǎn)。因此，在硅平臺(tái)上集成光源的改良方式將是有利的，并且尤其，提供光至光子回路的更高效和/或更可靠方式將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供現(xiàn)有技術(shù)的一種替代方案。尤其，可以將以下視為本發(fā)明的目的提供解決現(xiàn)有技術(shù)中上文所提及問(wèn)題的方法和混合垂直腔激光器(混合VCL)結(jié)構(gòu)以提供光至光回路。因而，上述目的以及其他幾個(gè)目的意圖在本發(fā)明的第一方面通過(guò)使用硅平臺(tái)中的底部光柵鏡在硅平臺(tái)上制作多種混合VCL結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述方法包括提供包括由III-V材料形成的活性區(qū)和高度反射性頂部鏡的分層結(jié)構(gòu)；在硅層中形成光柵區(qū)，所述硅層被折射率比該硅層低的層支持，該光柵區(qū)包含由硅層部分形成的一維(ID)或二維OD)周期性折射率光柵和在該硅層中形成的并且具有比該硅層低的折射率的區(qū)域；在所述硅層中形成波導(dǎo)，所述波導(dǎo)被設(shè)置成促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光橫向輸出耦合于該波導(dǎo)，這可以通過(guò)在光柵區(qū)內(nèi)部和/或與光柵區(qū)連接(如鄰接)形成來(lái)獲得；并且在光柵區(qū)上設(shè)置所述分層結(jié)構(gòu)，包括在所述分層結(jié)構(gòu)與所述光柵區(qū)之間提供折射率比所述硅層的折射率低的層，從而周期性折射率光柵構(gòu)成底部光柵鏡以使得在所述頂部鏡和所述光柵區(qū)之間形成VCL腔。該波導(dǎo)優(yōu)選地相對(duì)于VCL腔為橫向取向并且作為VCL的輸出耦合波導(dǎo)發(fā)揮作用。下文中，將描述眾多的其他方面、優(yōu)選和/或任選的特征、要素、實(shí)例和實(shí)施。根據(jù)需要，相對(duì)于一個(gè)實(shí)施方式或方面所描述的特征或要素可以與其他實(shí)施方式或方面組合或適用于它們。例如，就混合VCL結(jié)構(gòu)而言適用的結(jié)構(gòu)性和功能性特征也可以通過(guò)適宜調(diào)整作為就用于混合VCL結(jié)構(gòu)的方法而言的特征使用，并且反之亦然。另外，對(duì)本發(fā)明人所實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的潛在機(jī)制的解釋用于解釋性目的，并且它們不應(yīng)當(dāng)在用于推斷本發(fā)明的事后分析中使用。包括高度反射性頂部鏡、活性區(qū)和底部光柵鏡的結(jié)構(gòu)既稱作“光柵鏡垂直腔激光器(GMVCL)結(jié)構(gòu)”，又稱作具有底部光柵鏡或使用底部光柵鏡所形成的VCL結(jié)構(gòu)。在本描述的意思范圍內(nèi)，這些術(shù)語(yǔ)具有相同的意思。另外，包括高度反射性頂部鏡和活性區(qū)，但無(wú)底部光柵鏡的分層結(jié)構(gòu)稱作“部分VCL結(jié)構(gòu)”或根據(jù)上下文，簡(jiǎn)單地稱作“分層結(jié)構(gòu)”?；旌蟅CL結(jié)構(gòu)橫向地發(fā)射光至面內(nèi)(in-plane)波導(dǎo)，同時(shí)垂直腔表面發(fā)射的激光 (VCSEL)從鏡表面垂直地發(fā)射至空氣。因此，混合VCL是這樣的結(jié)構(gòu)，其包含具有高度反射性從而不作為輸出耦合器發(fā)揮作用的頂部鏡，以III-V材料形成的活性區(qū)和形成高度反射性底部光柵鏡以產(chǎn)生帶頂部鏡的VCL腔的硅基光柵區(qū)，以及用于從VCL腔發(fā)射光至硅襯底中外部光子回路的橫向取向的波導(dǎo)?？梢栽诶鏤S 2007/0201526中找到使用二維QD)光柵鏡的現(xiàn)有技術(shù)VCSEL的實(shí)例。該結(jié)構(gòu)在幾個(gè)方面不同于本發(fā)明，其中之一是底端鏡之一具有降低的反射率，旨在作為輸出耦合器而發(fā)揮作用，從而產(chǎn)生激光表面發(fā)射。另外，us 2007/02015 在支持意圖橫向輸出光的2D光柵結(jié)構(gòu)的層中沒(méi)有提供面內(nèi)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然而，該技術(shù)是相似的并且在本描述中在VCSEL技術(shù)上進(jìn)行了廣泛參考。本發(fā)明因而也是有利的，在于它使用了顯示極低電消耗、優(yōu)良的單模特性(singl-mode property)和通用模控制(mode control in general) 的成熟VCSEL技術(shù)。另外，VCSEL技術(shù)的使用允許不復(fù)雜的封裝。優(yōu)選的是在部分VCL結(jié)構(gòu)中獲得光學(xué)和電學(xué)配置(confinement)的方式在混合化 (hybridisation)允許較寬的的校準(zhǔn)公差(alignment tolerance)，即它們不依賴于部分 VCL結(jié)構(gòu)在底部光柵鏡上的精確定位，或換句話說(shuō)，底部光柵鏡對(duì)于獲得光學(xué)和電學(xué)配置沒(méi)有貢獻(xiàn)或不在其中發(fā)揮作用。該頂部鏡不作為如常規(guī)頂部發(fā)射型VCSEL中那樣的輸出耦合鏡來(lái)使用，并且因此具有比VCSEL的正常輸出耦合鏡高的反射率。優(yōu)選該頂部鏡具有盡可能接近100% (例如， 在沒(méi)有摻雜的情況下高于99. 95%)的反射率。該頂部鏡可以分布式布拉格反射鏡(DBR)、 光柵鏡、這兩種鏡的混合體或任何其他類型的反射鏡。該頂部鏡可以與活性區(qū)一同外延生長(zhǎng)、在活性區(qū)晶片鍵合(wafer-bonded)或沉積到活性區(qū)上，這取決于獲得光學(xué)或電學(xué)配置的材料和方法的選擇。本發(fā)明使用光柵鏡作為底部反射鏡以建立VCL腔并作為路由器或耦合器將入射光的一部分輸送至面內(nèi)波導(dǎo)。根據(jù)反射機(jī)制，高度反射性光柵鏡可以分成兩類。在一種類型中，光柵的入射性垂直傳播的自由空間模和橫向傳播的光子帶隙(PBG)模的共振耦合參與反射過(guò)程，而在另一種類型中，則不參與。即便這兩種類型均可以提供接近100%的反射率，只有涉及PBG模的類型可以作為反射鏡和路由器/耦合器發(fā)揮作用，因而是本發(fā)明中優(yōu)選使用的一種類型。在這種光柵鏡類型中，在入射性自由空間模中的光在光柵中衍射；部分的衍射光優(yōu)選地與Γ (Y)-點(diǎn)慢光PBG模(Γ (gamma)-point slow light PBG mode)耦合； 在PBG模中的光在光柵中橫向地傳播并且耦合而回到自由空間模。這種耦合過(guò)程可以產(chǎn)生共振。在面內(nèi)波導(dǎo)不存在于光柵鏡內(nèi)部或不與之連接的情況下，這種共振耦合過(guò)程可以產(chǎn)生接近100%的反射率。如果輸出耦合波導(dǎo)在于光柵區(qū)內(nèi)部形成或與之連接，則光柵的PBG ?？梢耘c波導(dǎo)模輕易地耦合；這會(huì)產(chǎn)生例如約_3dB的高路由/耦合效率，其可比于現(xiàn)有技術(shù)的全息光柵耦合器的耦合效率。然而，在不涉及PBG模的另一個(gè)類型的光柵鏡中，在自由空間模中的光在光柵中衍射，但是并不與PBG模強(qiáng)烈耦合；因而，路由效率較低。波導(dǎo)，也稱作面內(nèi)、輸出耦合波導(dǎo)，在硅層中形成，并且優(yōu)選地包含在光柵區(qū)中的光柵波導(dǎo)(GWG)和該光柵區(qū)外部的折射率對(duì)比波導(dǎo)(ICWG)。GWG是促進(jìn)從PBG模提取部分光至ICWG模的中間波導(dǎo)(intermediate waveguide)。通過(guò)優(yōu)化GWG的拓?fù)鋵W(xué)和GWG和 ICWG的連接部分，路由效率可以進(jìn)一步提高超過(guò)-3dB。優(yōu)選帶有橫向波導(dǎo)的底部光柵鏡具有約99. 5%的反射率和-3dB的路由效率。這種反射率值可比于常規(guī)VCSEL的垂直輸出鏡的反射率。該光柵鏡的路由功能很不同于常規(guī)光柵耦合器的耦合功能。在本發(fā)明的光柵鏡中，極小部分的入射光被路由至面內(nèi)波導(dǎo)，而大部分的入射光被反射。例如，當(dāng)光柵鏡具有99. 5%的反射率和-3dB的路由效率時(shí)，99. 5%的入射光被反射，而0. 25%的入射光被輸出至波導(dǎo)。相反，在現(xiàn)有技術(shù)的全息光柵耦合器中，-3dB即50%的入射光與波導(dǎo)耦合 (Photonics Spectra, 2006 年 3 月，第 62-67 頁(yè))。參與與PBG模的共振耦合的高度反射性光柵鏡與波導(dǎo)形式的面內(nèi)輸出耦合器的這種組合是新穎的，其中所述的波導(dǎo)在光柵區(qū)內(nèi)部形成或與之連接。迄今報(bào)道的大部分似乎相似的光柵結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)性形狀、功能或反射過(guò)程(涉及慢光模)的方面不同于本發(fā)明的光柵鏡。例如 在 US 2007/0153860 中，I.-S，Chung 等人，(IEEE Photonic. Tech. Lett, 20, 1041 (2008))和WO 2005/089098中，反射不涉及與慢光PBG模的共振耦合； 在US 6，031，243中，光柵不作為反射鏡工作； 在US 2007/0201526中，光柵鏡不具有用于橫向輸出而連接的波導(dǎo)，并且慢光 PBG模在色散圖中遠(yuǎn)離Γ (gamma)點(diǎn)； 在 R. Jones 等人("Grating based hybrid silicon lasers (基于光柵的混合硅激光器)”，!Proceedings of SPIE，第7230卷，第72300U-1頁(yè)中，光柵用來(lái)選擇激射頻率， 既不作為反射鏡也不作為路由器來(lái)發(fā)揮作用； 在 H. 1Wu 等人(“超廣帶 SOI 二元閃耀光柵鏡(Ultra broadband SOI binary blazed grating mirror) ”，第五屆IV族光子學(xué)IEEE國(guó)際大會(huì)論文集(5th IEEE International Conference on Group IV Photonics)，第 299-301 頁(yè))中，光柵是表面光柵，即，光柵的底部不由較低折射率材料支持。因此，其反射率不會(huì)超過(guò)99%，不足以產(chǎn)生激光。本發(fā)明尤其，但不排他地有利于使用混合VCL結(jié)構(gòu)提供光至光子回路，其中所述的混合VCL結(jié)構(gòu)在硅平臺(tái)上以比眾多現(xiàn)有技術(shù)方案更不敏感于校準(zhǔn)誤差的方式混合 (hybridis)。這種是有利的，因?yàn)樗峁┝瞬煌糠盅b配期間更容易并且因而更便宜的校準(zhǔn)。本發(fā)明也是有利的，因?yàn)樗褂靡痪S(ID)或二維OD)無(wú)源光柵并且優(yōu)選地還使用光柵波導(dǎo)。在文獻(xiàn)中，2D光柵和光柵波導(dǎo)經(jīng)常分別叫作光子晶體(W1C)和光子晶體波導(dǎo)(PhCffG)。為避免混淆，下文分別將PhC和WiCWG稱作2D光柵和GWG?；旌鲜菍⒉煌N類或變種混合以產(chǎn)生雜合體的動(dòng)作。在本文環(huán)境下，它意指以來(lái)自元素周期表III族和V族中的材料(下文為“III-V族材料”)所形成的結(jié)構(gòu)與以IV族族材料所形成的結(jié)構(gòu)物理或功能地連接。類似地，混合的結(jié)構(gòu)是與以IV族材料形成的結(jié)構(gòu)連接的以III-V族材料所形成的結(jié)構(gòu)，或反之亦然。連接一般通過(guò)晶片鍵合技術(shù)來(lái)進(jìn)行，并且優(yōu)選部分VCL結(jié)構(gòu)的III-V活性區(qū)與硅基光柵區(qū)以晶片鍵合方式連接。如果對(duì)于目標(biāo)用途足以勝任，則也可以使用其他連接技術(shù)。在下文中，術(shù)語(yǔ)“混合VCL”意指在包含高度反射性頂部鏡和活性區(qū)(III-V族材料)分層結(jié)構(gòu)與光柵區(qū)(IV族材料)連接時(shí)所獲得的結(jié)構(gòu)。這種連接的建立提供了 VCL(因?yàn)楣鈻艆^(qū)提供底部鏡)和根據(jù)以上定義的混合結(jié)構(gòu)。然而，為了確保與本領(lǐng)域中其他充分建立的術(shù)語(yǔ)相符合，“混合VCL”也稱作“混合VCL結(jié)構(gòu)”，特別指出使用光柵鏡產(chǎn)生這種混合 VCL0在本描述的意思范圍內(nèi)，這具有相同的意思。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，硅層可以是布置在襯底上的幾個(gè)區(qū)分的硅層部分， 一些部分可能處于不同的能級(jí)(level)。另外，還將理解的是，雖然硅是當(dāng)下技術(shù)的優(yōu)選方法，然而就本發(fā)而言，顯示相似特性的其他材料(如其他類型的IV-材料、IV材料組合物或高折射率材料)可以替換硅。在第二方面，本發(fā)明提供混合VCL結(jié)構(gòu)，其包含-分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括以III-V族材料形成的活性區(qū)和不作為輸出耦合鏡使用并且具有優(yōu)選大于99. 95%的反射率的高度反射性頂部鏡；和-在被具有較低折射率的層支持的硅層中形成的光柵區(qū)，該光柵區(qū)包含由硅層部分形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；-在該硅層的光柵區(qū)的頂部提供的、具有比該硅層的折射率低的折射率的層；其中分層結(jié)構(gòu)設(shè)置在光柵區(qū)上，從而周期性折射率光柵構(gòu)成了形成于頂部鏡與光柵區(qū)之間的VCL腔的底部光柵鏡，該底部光柵鏡也促進(jìn)處于VCL腔垂直模的光耦合于光柵區(qū)的面內(nèi)模，和-在硅層中形成的波導(dǎo)，其被設(shè)置成促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于該波導(dǎo)。第三方面涉及具有光柵區(qū)的硅基襯底，該光柵區(qū)來(lái)自第二方面，但單獨(dú)地提供。因而，在第三方面，本發(fā)明提供帶有橫向取向的波導(dǎo)的硅基光柵鏡，其包括-被具有較低折射率的層支持的硅層；-光柵區(qū)，包含由硅層部分所形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在所述硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；-至少部分光柵區(qū)形成光柵鏡，用于正常反射入射光并且使入射光與光柵區(qū)的面內(nèi)模正常耦合；和-在該硅層中形成的波導(dǎo)，其被設(shè)置成促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)面內(nèi)模的光耦合于該波導(dǎo)。在光柵區(qū)頂部上形成的任何層，例如低折射率層，對(duì)于激射波長(zhǎng)是透明的。例如， 激射波長(zhǎng)可以是1. 1、1. 3和1. 55 μ m。在該器件的制造加工期間，可以通過(guò)以平版印刷方式改變光柵設(shè)計(jì)(即光柵的厚度、周期性、空氣填充率和圖案形狀)來(lái)改變光柵鏡的反射率，同時(shí)可以通過(guò)改變硅光柵上方的低折射率層的厚度來(lái)調(diào)節(jié)GMVCL的激射波長(zhǎng)。在第四方面，一起提供帶有來(lái)自第二方面的光柵區(qū)的部分VCL結(jié)構(gòu)和襯底來(lái)作為單獨(dú)、未裝配的結(jié)構(gòu)。因而，在第三方面，本發(fā)明提供如第二方面中所述的部分VCL結(jié)構(gòu)和如第二方面中所述的硅層，但是作為替代連接結(jié)構(gòu)的裝配用套件(a kit for assembly) 0額外地或可選擇地，第四方面可以提供分層結(jié)構(gòu)和用于接受該分層結(jié)構(gòu)的的硅層。-該分層結(jié)構(gòu)包含以III-V族材料形成的活性區(qū)和不作為輸出耦合鏡使用并且具有接近于100% (例如，高于99.95% )的反射率的高度反射性頂部鏡；-該硅層被具有較低折射率的層支持并且包含ο光柵區(qū)，包含由硅層部分所形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；和ο在該硅層中形成的波導(dǎo)，其被設(shè)置成促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于該波導(dǎo)；其中分層結(jié)構(gòu)或光柵區(qū)至少之一包含或涉及這樣的構(gòu)造當(dāng)該分層結(jié)構(gòu)在該光柵區(qū)上布置時(shí)，所述構(gòu)造將在該光柵區(qū)上方提供折射率比該硅層的折射率低的層。在一些實(shí)施方式中，光柵區(qū)中的GWG可以省略，從而耦合是直接從周期性折射率光柵的面內(nèi)PBG模至光柵區(qū)外部形成的波導(dǎo)，如折射率對(duì)比波導(dǎo)。然而，這可能降低耦合效率。優(yōu)選該方法的實(shí)施方式包括來(lái)自VCL腔的光耦合于光柵區(qū)的面內(nèi)PBG模。該混合結(jié)構(gòu)因而發(fā)揮有效提供光至硅層中面內(nèi)光柵模的作用，這有利于提供光至硅平臺(tái)上的光子回路?？梢酝ㄟ^(guò)中間GWG促進(jìn)與ICWG的耦合，所述的中間GWG優(yōu)選地在光柵區(qū)內(nèi)部形成。在這個(gè)實(shí)施方式中，該方法的實(shí)施方式還包括來(lái)自光柵區(qū)面內(nèi)PBG模的光耦合于GWG 的波導(dǎo)模，其中所述的GWG在硅層中、優(yōu)選地在光柵區(qū)內(nèi)部形成。這種布置可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)當(dāng)VCL發(fā)射光時(shí)確保底部光柵鏡中GWG模和VCL腔模之間出現(xiàn)部分重疊，以及設(shè)計(jì) GffG的幾何形狀，從而GWG模的模色散應(yīng)當(dāng)相似于或絕熱地(adiabatically)變換成PBG模的模色散?？梢詢?yōu)選優(yōu)化GWG的拓?fù)鋵W(xué)和GWG和ICWG的連接部分，旨在進(jìn)一步降低模耦合/ 路由期間不想要的散射損失，從而提高總體路由效率。進(jìn)一步優(yōu)選在硅層上布置部分VCL結(jié)構(gòu)后限定VCL的光學(xué)增益(optical gain) 區(qū)。這提供下述優(yōu)點(diǎn)在裝配后可以限定光學(xué)增益區(qū)與周期性折射率光柵具有想要的重疊，這一般通過(guò)晶片鍵合來(lái)實(shí)施，其中光學(xué)增益區(qū)與周期性折射率光柵彼此不再相互移動(dòng)。這意味裝配期間需要少量校準(zhǔn)工作或不需要校準(zhǔn)。VCL的光學(xué)增益區(qū)的位置涉及限定用于指導(dǎo)載流子至VCL結(jié)構(gòu)的活性區(qū)的指定部分(delimited part)的電流孔(current aperture)或相似物。本發(fā)明以便宜、緊湊和高效的方式為硅平臺(tái)上的光子回路提供光源。本發(fā)明的基本思路是基于標(biāo)準(zhǔn)VCSEL技術(shù)形成在頂部鏡與活性區(qū)之間的垂直激光腔，和作為在襯底上硅層中所形成的折射率光柵鏡的底部鏡。如此設(shè)計(jì)硅層中的光柵鏡，從而使得光柵鏡中的反射過(guò)程包括使垂直共振模轉(zhuǎn)變成光柵鏡的面內(nèi)PBG模。通過(guò)面內(nèi)PBG模耦合于面內(nèi)波導(dǎo)， 可以提供光至例如S0I/CM0S襯底上的面內(nèi)光子回路。全部制造過(guò)程可以使用成熟的III-VVCSEL技術(shù)和硅技術(shù)進(jìn)行。本發(fā)明的這些方面和其他方面會(huì)因參考所述實(shí)施方式的以下描述顯而易見(jiàn)。


結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式以更多的細(xì)節(jié)描述。所述圖顯示實(shí)施本發(fā)明的一種方式并且不得解釋為限制落入所附權(quán)利要求集的范圍內(nèi)的其他可能實(shí)施方式。圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式在SOI襯底上的混合VCL的示意圖解。圖IA顯示剖面視圖(profile view)下的裝配結(jié)構(gòu)。圖IB、IC和ID從頂視圖顯示SOI襯底，說(shuō)明進(jìn)一步優(yōu)化的區(qū)域和波導(dǎo)的不同實(shí)施方式。圖2-7顯示光學(xué)模配置和增益/電學(xué)配置的四種不同配置方案。圖8顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的可調(diào)諧混合VCL。圖9-12示意地顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的不同裝配方案及制造方案。圖13和14顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的光柵區(qū)的不同布局。圖15是來(lái)自動(dòng)態(tài)(時(shí)域)數(shù)字模擬本發(fā)明實(shí)施方式的畫面。圖16A和B顯示優(yōu)化圖IB中所指明區(qū)域的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式圖IA和B顯示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的混和光柵鏡垂直腔激光器(VCL)結(jié)構(gòu)以及用于在硅平臺(tái)上混合光柵鏡垂直腔激光器(VCL)結(jié)構(gòu)的方法。首先，相對(duì)于圖IA-C而言描述裝配的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。圖IA中顯示混合VCL結(jié)構(gòu)1，其包括一個(gè)部分VCL結(jié)構(gòu)2和一個(gè)硅平臺(tái)襯底3。部分VCL結(jié)構(gòu)2包含一個(gè)高度反射性頂部鏡4，這里由作為一疊層有不同折射率的交替層的分布布拉格反射鏡(DBR)體現(xiàn)。DBR是通常使用的VCSEL頂部鏡并且它們的反射率可以精細(xì)地調(diào)節(jié)，并且可以用III-V材料以及其他材料(包括SiO2)形成。對(duì)于正常的VCSEL，頂部鏡充當(dāng)輸出耦合鏡并且一般具有高于99%但低于底部鏡反射率的反射率。在本發(fā)明的混合VCL中，頂部鏡不作為輸出耦合鏡使用并且因此應(yīng)當(dāng)是高度反射性的?；旌蟅CL的這種高度反射性頂部鏡4優(yōu)選地具有大于99. 5%的反射率，如大于99. 9 ^3^ 99.95 ^應(yīng)當(dāng)考慮光柵鏡12的反射率、量子阱(QW)中的單程增益(one pass gain)和定向微分量子效率來(lái)確定頂部鏡4的反射率的最佳值。部分VCL結(jié)構(gòu)2還包含以III-V材料形成的活性區(qū)5?；钚詤^(qū)5可以形成為任何可用的VCSEL活性區(qū)，并且一般包含一系列外延生長(zhǎng)的III-V材料層。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)包括上部和下部配置層和阻擋層，其中，上部和下部配置層之間夾住由交替QW層(例如，對(duì)長(zhǎng)于> 1. 3 μ m的波長(zhǎng)為InAlGaAs或hGaNAs，并且對(duì)850_nm波長(zhǎng)為GaAs)組成的QW結(jié)構(gòu)6。在一個(gè)實(shí)施方式中，部分VCL結(jié)構(gòu)2可以由標(biāo)準(zhǔn)VCSEL結(jié)構(gòu)提供，不包括底部鏡并帶有高度反射性頂部鏡。在圖IA中所示混合VCL的實(shí)施方式中，電接觸8a和8b正好位于活性區(qū)5的上方和下方。這種接觸方案叫作腔內(nèi)接觸。在腔內(nèi)接觸的情況下，頂部鏡4可以是未摻雜的。根據(jù)需要，可以在頂部鏡4的頂部上制作電接觸8a。這種接觸方案叫作腔外接觸。在腔外接觸的情況下，頂部鏡應(yīng)當(dāng)適度地?fù)诫s。
獲得光學(xué)配置和增益配置在下文中，基于圖1-7描述了限定GMVCL中光學(xué)增益區(qū)的位置和光學(xué)模的眾多可能方式。未予描述的GMVCL的元件假定與上文相對(duì)于圖IA和B所描述的那些元件相似。在圖IA中所示混合VCL的實(shí)施方式，光學(xué)配置由通過(guò)質(zhì)子注入所形成的電流孔提供，從而光學(xué)模由熱透鏡效應(yīng)限定。被質(zhì)子注入的區(qū)域7變得絕緣，作為電流孔來(lái)工作并且限定增益區(qū)101。在圖2中所示混合VCL的實(shí)施方式中，增益區(qū)201由質(zhì)子注入的區(qū)域202限定，同時(shí)，光學(xué)模由頂部鏡4中的電介質(zhì)孔203限定。該電介質(zhì)孔優(yōu)選地通過(guò)氧化具有高鋁含量的層形成。因而，當(dāng)制備鏡4時(shí)，在將要形成電介質(zhì)孔的位置，形成具有高鋁含量的層。在圖3中所示混合VCL的實(shí)施方式中，光學(xué)增益區(qū)301和光學(xué)模均由電介質(zhì)孔 303、優(yōu)選由活性區(qū)中形成的氧化物孔限定。對(duì)于電介質(zhì)孔303的形成，優(yōu)選在上部接觸8a 和QW區(qū)域6之間的層中之一應(yīng)當(dāng)具有用于氧化的高鋁含量。頂部鏡是可以隨活性區(qū)一起外延生長(zhǎng)、晶片鍵合至活性區(qū)或沉積在活性區(qū)頂部的未摻雜DBR。在圖4中所示混合VCL的實(shí)施方式中，光學(xué)增益區(qū)401和光學(xué)模均由電介質(zhì)孔403 限定。質(zhì)子注入的區(qū)域402有利于高速操作。在圖5中所示混合VCL的實(shí)施方式中，光學(xué)增益區(qū)501由隧道結(jié)503限定，同時(shí)光學(xué)模由隧道結(jié)503和熱透鏡效應(yīng)限定。在隧道結(jié)中，將高度η-摻雜和ρ-摻雜的薄層放在一起，并且電流僅流經(jīng)該結(jié)。任選地，該實(shí)施方式可以具有用于進(jìn)一步調(diào)諧光學(xué)配置的腔內(nèi)空氣隙507。在圖6中所示混合VCL的實(shí)施方式中，頂部鏡是優(yōu)選隨活性區(qū)一起外延生長(zhǎng)的 P-摻雜的DBR。氧化物孔(20 通過(guò)氧化用于光學(xué)配置和增益配置的高鋁含量層形成。該結(jié)構(gòu)可以用GaAs晶格匹配材料實(shí)現(xiàn)。在圖7A和B中所示混合VCL的實(shí)施方式中，光學(xué)配置由DBR的垂直位移部分703 提供并且增益配置由質(zhì)子注入的區(qū)域707提供。頂部DBR4在制作淺腔內(nèi)空氣隙以形成垂直位移部分703之后沉積。該結(jié)構(gòu)可以用InP或GaAs晶格匹配材料實(shí)現(xiàn)。在InP晶格匹配材料的情況下，P接觸層709優(yōu)選地是高度吸收性InGaAs。為避免不想要的吸收，優(yōu)選地移除P接觸層709的中央部分。在GaAs晶格匹配材料的情況下，不需要這種移除。圖7A顯示具有低折射率氧化物層15’的混合VCLjn 7B顯示具有低折射率空氣隙15”的混合VCL， 所述的低折射率空氣隙15”使用氧化物間隔層或臺(tái)面(meSa)715形成。硅平臺(tái)襯底和光柵區(qū)硅平臺(tái)襯底3優(yōu)選地是絕緣體上硅(silicon-on-insulatonSOI)襯底，其由帶有支持層9( 一般是SiO2)的硅襯底組成，并具以硅層10為頂層。其他構(gòu)成是可能的，但是優(yōu)選硅層由具有較低折射率的層支持，如此處這樣。在圖IB-D中以頂視圖單獨(dú)顯示硅平臺(tái)襯底3o在優(yōu)選的實(shí)施方式中，SOI襯底也容納集成的光子回路和電路。優(yōu)選地，使用成熟和精確的硅加工技術(shù)如互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q加工技術(shù)形成包括光柵區(qū)11的光子回路，與此同時(shí)，使用相同的技術(shù)形成電路。在頂部硅層10中形成光柵區(qū)11和波導(dǎo)18或19。光柵區(qū)11包含由硅層部分13 所形成的ID或2D周期性折射率光柵12和在該硅層中形成區(qū)域14，區(qū)域14具有比該硅層的折射率低的折射率。區(qū)域14可以通過(guò)移除(例如通過(guò)成熟的硅加工技術(shù)移除)那些區(qū)域中的硅層以形成孔洞來(lái)形成。所述孔洞可以留空或可以潛在地以低指數(shù)材料填充，如果可以這樣做而不破壞硅部分13。在另一個(gè)方法中，通過(guò)其他方式修飾硅層的這些區(qū)域來(lái)形成區(qū)域14。周期性折射率光柵12的部分13和區(qū)域14的圖案和周期性稍后將基于圖13和 14以更多細(xì)節(jié)描述。低折射率層如先前提及，優(yōu)選硅層10由具有較低折射率的層支持，在本例中是SiO2層9。類似地，優(yōu)選硅層10上方的層也具有較低的折射率。優(yōu)選將光柵區(qū)11夾在折射率較低的層之間以增益來(lái)自光柵區(qū)11的高反射率。為此目的，硅層10與部分VCL結(jié)構(gòu)2之間的隙15由折射率比硅低的材料填充。在圖IA和圖9D中所示的實(shí)施方式中，這種低折射率隙由氧化物層15’提供。氧化物層15’ 優(yōu)選地在裝配之前在部分VCL結(jié)構(gòu)2上提供，如在9A圖中所示。圖9B和9C分別顯示鍵合的晶片的前部和右側(cè)橫斷面輪廓。在圖IOD中所示的實(shí)施方式中，GMVCL涉及在光柵區(qū)11 上方形成空氣隙15”的構(gòu)造。這里，該構(gòu)造可以是環(huán)繞光柵區(qū)的臺(tái)面25。如圖IOA中所示， 優(yōu)選地在裝配前在硅層10上提供臺(tái)面25，目的是在晶片鍵合期間避免校準(zhǔn)。圖IOB和IOC 分別顯示鍵合的晶片的前部和右側(cè)橫斷面輪廓。為了避免迅衰耦合，氧化物層15’或空氣隙15”的厚度優(yōu)選地具有最小厚度X/2ngap，其中λ是目的激射波長(zhǎng)并且ngap是氧化物層 15’或空氣隙15”的折射率。對(duì)于具有λ = 1550nm的常見(jiàn)應(yīng)用，這種最小厚度對(duì)氧化物層 15，而言是約500nm并且對(duì)空氣隙15”而言是約780nm。通過(guò)變動(dòng)氧化物層15’或空氣隙15”的厚度，可以改變VCL腔的有效腔長(zhǎng)度deff。 這導(dǎo)致由以下關(guān)系決定的激射波長(zhǎng)λ的變化

權(quán)利要求
1.使用硅平臺(tái)中的底部光柵鏡在硅平臺(tái)上混合垂直腔激光器(VCL)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括提供分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括由III-V材料形成的活性區(qū)和不作為輸出耦合鏡使用并且具有大于99. 5%的反射率的高度反射性頂部鏡；在被具有較低折射率的層支持的硅層中形成光柵區(qū)，該光柵區(qū)包含由硅層部分形成的一維(ID)或二維QD)周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；在硅層中形成波導(dǎo)，所述波導(dǎo)被設(shè)置為促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光橫向輸出耦合于該波導(dǎo)；并且在光柵區(qū)上布置所述分層結(jié)構(gòu)，包括在該分層結(jié)構(gòu)與該光柵區(qū)之間提供折射率比該硅層的折射率低的層，從而周期性折射率光柵構(gòu)成底部光柵鏡，以在頂部鏡和光柵區(qū)之間形成VCL腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括引發(fā)VCL腔中的激射和將來(lái)自VCL腔的光耦合于光柵區(qū)的橫模。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中硅層中所形成的波導(dǎo)包含光柵波導(dǎo)(GWG)，該方法還包括將來(lái)自光柵區(qū)的橫模的光耦合于GWG的導(dǎo)模。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中硅層中所形成的波導(dǎo)包含在光柵區(qū)外部形成的集成平面折射率對(duì)比波導(dǎo)(ICWG)，該方法還包括將來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于ICWG的導(dǎo)模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)控制所述分層結(jié)構(gòu)與所述光柵區(qū)之間的較低折射率層的厚度來(lái)控制VCL腔的有效腔長(zhǎng)度drff以及激射波長(zhǎng)λ。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法，其中將VCL的光學(xué)增益區(qū)的位置限定在光柵區(qū)上的分層結(jié)構(gòu)之后。
7.混合垂直腔激光器(VCL)結(jié)構(gòu)，包括-分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括由III-V族材料形成的活性區(qū)和不作為輸出耦合鏡使用并且具有大于99. 5%的反射率的高度反射性頂部鏡；和-在被具有較低折射率的層支持的硅層中形成的光柵區(qū)，該光柵區(qū)包含由硅層部分形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；-在該硅層的光柵區(qū)的頂部提供的、具有比該硅層的折射率低的折射率的層；其中分層結(jié)構(gòu)布置在光柵區(qū)上，從而周期性折射率光柵構(gòu)成了底部光柵鏡，以在頂部鏡與光柵區(qū)之間形成VCL腔，該底部光柵鏡也促進(jìn)在VCL腔的模中的光耦合于光柵區(qū)的面內(nèi)模，和-在該硅層中形成波導(dǎo)，所述波導(dǎo)被設(shè)置為促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于該波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的混合VCL結(jié)構(gòu)，其中在分層結(jié)構(gòu)與光柵區(qū)之間的較低折射率層是在分層結(jié)構(gòu)上形成的氧化物層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的混合VCL結(jié)構(gòu)，其中在分層結(jié)構(gòu)與光柵區(qū)之間的較低折射率層包含空氣，并且其中當(dāng)分層結(jié)構(gòu)布置在光柵區(qū)之上時(shí)，分層結(jié)構(gòu)包含一個(gè)或多個(gè)臺(tái)面以形成空氣隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的混合VCL結(jié)構(gòu)，其中硅層中所形成的波導(dǎo)包含在該硅層內(nèi)形成的光柵波導(dǎo)(GWG)，該GWG被布置為促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于GWG。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的混合VCL結(jié)構(gòu)，其中設(shè)計(jì)GWG的幾何形狀，以使得GWG的模的模色散相似于或絕熱地變換成周期性折射率光柵模的模色散。
12.根據(jù)權(quán)利要求7-11任一項(xiàng)所述的混合VCL結(jié)構(gòu)，其中硅層中所形成的波導(dǎo)包含在光柵區(qū)外部的硅層中形成并被布置以促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于ICWG的集成平面折射率對(duì)比波導(dǎo)(ICWG)。
13.帶有橫向取向的波導(dǎo)的硅基光柵鏡，包括-被具有較低折射率的層支持的硅層；-光柵區(qū)，包含由硅層部分所形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；-至少部分光柵區(qū)，用于形成光柵鏡，來(lái)正常反射入射光并且使入射光正常耦合于光柵區(qū)的面內(nèi)模；和-在硅層中形成的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)被設(shè)置為促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)面內(nèi)模的光耦合于該波導(dǎo)。
14.分層結(jié)構(gòu)和用于接受該分層結(jié)構(gòu)的硅層-該分層結(jié)構(gòu)包括由III-V族材料形成的活性區(qū)和不作為輸出耦合鏡使用并且具有大于99. 5%的反射率的高度反射性頂部鏡；-該硅層被具有較低折射率的層支持，并且包含ο光柵區(qū)，包含由硅層部分形成的ID或2D周期性折射率光柵以及在該硅層中形成的并且具有比該硅層的折射率低的折射率的區(qū)域；和ο在硅層中形成的波導(dǎo)，所述波導(dǎo)被設(shè)置為促進(jìn)來(lái)自光柵區(qū)的光耦合于該波導(dǎo)；其中分層結(jié)構(gòu)或光柵區(qū)至少之一包含或涉及這樣的構(gòu)造，即當(dāng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)置在光柵區(qū)之上時(shí)，所述構(gòu)造將在該光柵區(qū)上方提供折射率比該硅層的折射率低的層。
全文摘要
本發(fā)明為硅平臺(tái)(3)上的光回路提供光源(2)。垂直激光腔由布置在頂部鏡(4)與襯底上硅層(10)中光柵區(qū)(11)內(nèi)的底部光柵鏡(12)之間的增益區(qū)(101)形成。用于接受來(lái)自光柵區(qū)(11)的光的波導(dǎo)(18，19)在光柵區(qū)內(nèi)部形成或與之連接，并且作為VCL的輸出耦合器發(fā)揮作用。因此，垂直激射模(16)耦合于該硅層中所形成的面內(nèi)波導(dǎo)的橫向面內(nèi)模(17，20)，并且光可以提供至例如硅中的SOI或CMOS襯底上的光子回路。
文檔編號(hào)H01S5/183GK102388513SQ201080016327
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者鄭一淑 申請(qǐng)人:丹麥科技大學(xué)