具有光束形狀和光束方向修改的雷射器的製作方法

2023-12-09 16:43:11

本專利申請要求2013年11月7日提交的美國臨時專利申請號61/901,265的優先權，該申請通過引用以其全部內容結合在此。

發明領域

本披露總體上涉及光子器件，並且更具體地，涉及改進的光子器件及其製造方法。

發明背景

半導體雷射器通常通過透過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)在襯底上生長適當層狀半導體材料以形成具有平行於襯底表面的有源區的外延結構而被製造在晶片上。然後用各種半導體處理工具處理晶片，以產生包括有源區並且包括附在半導體材料上的金屬觸點的雷射光學腔。通常通過沿半導體材料的晶體結構來切割半導體材料以限定雷射光學腔的邊緣或兩端來在雷射腔的兩端形成雷射器端面，使得當跨觸點施加偏壓時，所產生的經過有源區的電流流動使光子在垂直於電流流動的方向上從有源區的面邊緣發射出來。由於切割半導體材料來形成雷射器端面，端面的位置和定向受限制；此外，一旦晶片已經切割，通常它是小片的，使得常規的光刻技術不能容易地用來進一步處理雷射器。

前述和其他由使用切割端面造成的困難導致了用於通過蝕刻形成半導體雷射器的面的工藝的發展。這個如在美國專利號4,851,368中描述的工藝也允許雷射器與其他光子器件單片集成在同一襯底上，該專利的披露內容通過引用結合在此。這項工作被進一步擴展，並且一種基於蝕刻端面的脊型雷射器工藝被披露在1992年5月的IEEE量子電子學期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)，第28卷，第5期，第1227-1231頁。

使用半導體雷射器的主要挑戰之一是來自雷射器的輸出光束與所述光束被引導或耦合到的介質之間的不匹配。例如，形成具有模斑轉換器(SSC)的半導體雷射器可以允許更有效地將雷射耦合到光纖或擴大用於光學對準的公差，但是，通常存在隨著形成SSC而來的某些缺點，如工藝複雜性和雷射器特性的降低。雷射器特性的降低的示例是雷射器閾值電流的增大。以下出版物討論了採用的各種SSC方法：板屋(Itaya)等人的「集成模斑轉換器的雷射二極體(SS-LD)(Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes(SS-LD’s))」，IEEE量子電子學選定課題期刊(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)，第3卷，第3期，第968-974頁；摩爾曼(Moerman)等人的「用於錐形物與III-V族半導體器件的單片集成的製造技術綜述(A Review on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration of Tapers with III-V Semiconductor Devices)」，IEEE量子電子學選定課題期刊，第3卷，第6期，第1308-1320頁；以及山崎(Yamazaki)等人的「通過窄帶選擇性MOVPE製造的集成1.3μm模斑轉換器的雷射二極體(1.3-μm Spot-Size-Converter Integrated Laser Diodes Fabricated by Narrow-Stripe Selective MOVPE)」，IEEE量子電子學選定課題期刊，第3卷，第6期，第1392-1398頁。

通過允許光束修改而不顯著影響雷射器特性(如雷射器閾值)的工藝形成的雷射器結構是非常理想的，並且(例如)可以低成本封裝導致非常高效地將雷射束耦合到光纖，從而降低了功耗。此外，在許多應用中期望將光束以垂直於襯底或從垂直於襯底離開的角度引導光束的能力，如光纖和矽光子是光到矽光子晶片上的光柵的有效耦合是非常重要的(參見(例如)韋爾默朗(Vermeulen)等人的「使用先進的兼容CMOS的絕緣體上矽平臺實現的高效率光纖到晶片光柵耦合器」，2010年的光學快報，第18卷，第17期，第18278-18283頁)。顯示器應用(如微型投影機或視網膜投影機)需要雷射被整形並引導到如具有最小重量和大小並且具有最高效率的微機電系統或MEMS組件的元件。

技術實現要素：

披露了一種連同半導體雷射器一起對雷射束進行整形並對該雷射束的方向進行修改的反射表面。可以在鄰近雷射器結構設置的結構上形成該反射表面以允許將雷射高耦合到例如矽光子晶片或光纖。

在本披露的一個實施例中，使用在雷射器的輸出端面的前面的反射表面對來自蝕刻端面雷射器的雷射束的方向進行修改。在本披露的另一個實施例中，使用在輸出端面的前面的反射表面的形狀來修改雷射器的垂直遠場。在本披露的又一個實施例中，由在輸出端面的前面的反射表面的形狀來修改雷射器的水平遠場。在本披露的又一個實施例中，上述修改中的兩項或多項同時發生。

附圖簡要說明

結合附圖閱讀對本披露的以下詳細描述，本披露的上述和其他目的、特徵和優點對於本領域的技術人員來說將變得顯而易見，附圖簡述如下。

圖1(a)是其中前端面和後端面兩者均通過切割形成的半導體雷射器的橫截面；並且圖1(b)是通過2維RSoft有限差分時域(FDTD)模擬獲得的來自前端面或後端面的相應的垂直遠場(VFF)。

圖2(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中2μm的平坦露臺鄰近前端面；並且圖2(b)包含通過2維RSoft FDTD模擬獲得的這種結構的相應的VFF(實線)和用於參考的來自圖1(b)的VFF(虛線)。

圖3(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中10μm的平坦露臺鄰近前端面；並且圖3(b)包含通過2維RSoft FDTD模擬獲得的這種結構的相應的VFF(實線)和用於參考的來自圖1(b)的VFF(虛線)。

圖4(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為15μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方2μm處，與襯底的平面成45.0°的平坦反射表面鄰近露臺，並且反射表面高度在有源區的中心上方2μm；圖4(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖4(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖5(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為15μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方2μm處，彎曲反射表面鄰近露臺，並且反射表面高度在有源區的中心上方2μm；圖5(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖5(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖6(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方3μm處，與襯底的平面成45.0°的平坦反射表面鄰近露臺，並且反射表面高度在有源區的中心上方5μm；圖6(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖6(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖7(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方3μm處，與襯底的平面成39.0°的平坦反射表面鄰近露臺，並且反射表面高度在有源區的中心上方5μm；圖7(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖7(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖8(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方3μm處，彎曲反射表面(其在與該彎曲表面的兩端相交的平面和襯底的平面之間具有45.0°角)鄰近露臺，反射表面高度在有源區的中心上方5μm；圖8(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖8(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖9(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方3μm處，彎曲反射表面(其在與該彎曲表面的兩端相交的平面和襯底的平面之間具有40.0°角)鄰近露臺，反射表面高度在有源區的中心上方5μm；圖9(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖9(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖10(a)至圖10(c)示出了用於製造圖8(a)中的結構的示例性工藝。

圖11(a)是其中前端面和後端面兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面，露臺表面在有源區的中心的平面下方3μm處，由多個0.5μm厚的分段近似的彎曲反射表面(其在與該彎曲表面的兩端相交的平面和襯底的平面之間具有45.0°角)鄰近露臺，反射表面高度在有源區的中心上方5μm；圖11(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬；並且圖11(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。

圖12(a)示出了蝕刻端面脊型雷射器的透視圖，該雷射器具有鄰近前端面而定位的彎曲反射表面，用於修改光束的方向和形狀，而光束中心接近沿脊穿過腔的垂直平面；圖12(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。

圖13(a)示出了蝕刻端面錐形脊型雷射器的透視圖，該雷射器具有鄰近前端面而定位的彎曲反射表面，用於修改光束的方向和形狀，而光束中心接近沿脊穿過腔的垂直平面；圖13(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。

圖14(a)示出了蝕刻端面脊型雷射器的透視圖，該雷射器具有鄰近前端面而定位的彎曲反射表面，用於修改光束的方向和形狀，而光束中心在沿脊穿過腔的垂直平面外；圖14(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。

圖15(a)示出了具有修改水平遠場(HFF)的鄰近前端面的第一區段和具有修改光束的方向和VFF的鄰近第一區段的彎曲反射器的第二區段的蝕刻端面2μm寬脊型雷射器；圖15(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。

圖16(a)示出了環的透視圖；圖16(b)和圖16(c)示出了具有鄰近前端面而定位、用於在VFF和HFF兩者中修改光束的方向和形狀的彎曲反射表面的蝕刻端面脊型雷射器；圖16(d)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。

圖17示出了具有與矽光子晶片的矽光柵部分相集成的彎曲反射結構的蝕刻端面脊型雷射器。

圖18示出了有源區向上地安裝在基座上的切割端面雷射器，該基座位於經圖案化的載體襯底上，其中彎曲反射器面向雷射器的前端面。

圖19示出了有源區向下地安裝在基座上的切割端面雷射器，該基座位於經圖案化的載體襯底上，其中彎曲反射器面向雷射器的前端面。

具體實施方式

圖1(a)示出了通過前端面130和後端面110的切割形成的半導體雷射器100。雷射器結構包括襯底120，該襯底具有允許形成下包層140、0.34μm厚的有源區180和1.83μm的上包層160的外延沉積層，該下包層可以延伸到襯底中或如圖1(a)中所示完全外延沉積並且厚度為1.83μm。雷射器在1310nm左右發射雷射。圖1(b)示出了通過2維RSoft有限差分時域(FDTD)模擬從圖1(a)中的結構的前端面或後端面獲得的垂直遠場(VFF)。

襯底120可以由(例如)可以被適當地摻雜的III-V族化合物或它們的合金形成。襯底120(如InP)包括頂部表面，在該表面上通過外延沉積(如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE))來沉積形成包括有源區180的光波導的一系列的層。上包區160和下包區140可以鄰近有源區180由比有源區180低的折射率的半導體材料(如InP)形成，該有源區可以用由AIGaInAs漸變層夾置的基於InAIGaAs的量子阱和勢壘形成。下包層可以部分地通過該外延沉積和部分地通過使用襯底來形成。例如，1310nm發射外延結構可以用在InP襯底120上的以下層來形成：n-InP下包層140；有源區180，其包含：AIGaInAs下漸變區、壓縮應變AIGaInAs量子阱(每個量子阱由拉伸應變AIGaInAs勢壘夾置)、AIGaInAs上漸變區；厚p-InP上包層160；以及高度p摻雜InGaAs接觸層。該結構還可以具有溼蝕刻停止層，以幫助製造脊型雷射器。以上所描述的示例性結構被設計為以1310nm的波長發射。

圖2(a)示出了通過垂直於或接近垂直於襯底120的平面(其通常是蝕刻端面與襯底的平面的法線的高達3.0°的偏離)蝕刻前端面230和後端面210形成的半導體雷射器200的橫截面。形成蝕刻端面雷射器的工藝的示例在美國專利申請號11/356,203、美國專利號8,130,806和美國專利號7,606,277中進行了描述，這些專利被轉讓給本申請的受讓人，並且其披露內容通過引用以其全部內容結合在此。蝕刻端面通常通過蝕刻穿過上包層、有源區和下包層的至少一部分而形成。在270處將雷射器晶片單片化，使得鄰近前端面230的露臺250為2μm寬(2μm是前端面和單片化平面270之間的水平距離)。圖2(b)以實線示出了通過2維RSoft FDTD模擬從前端面獲得的VFF並且以虛線示出了來自圖1(b)的VFF以供參考。兩個VFF曲線之間僅存在較小的差異。

圖3(a)示出了通過對前端面230和後端面210的蝕刻而形成的半導體雷射器300的橫截面。在370處將雷射器晶片單片化，使得鄰近前端面230的露臺350為10μm寬。圖3(b)以實線示出了通過2維RSoft FDTD模擬從前端面獲得的VFF並且以虛線示出了來自圖1(b)的VFF以供參考。這兩個VFF曲線之間存在相當大的差異。與虛線相比，實線的VFF示出了其主瓣380全寬半最大值(FWHM)的顯著變窄。此外，實線的VFF示出了從中心10.0°左右的顯著程度的光束指向和旁瓣382。窄FWHM在(例如)允許到光纖的高耦合效率時是非常有用的。然而，波束指向對於封裝雷射器並耦合到光纖的最傳統的方法造成困難和不兼容。

圖4(a)是在通過對前端面230和後端面210的蝕刻而形成的半導體雷射器400的z-y平面中的橫截面，其中15μm的平坦露臺鄰近前端面，並且平坦反射表面420以與襯底的平面成45.0°角鄰近露臺。在端面處的有源區的中心位於(z＝0，y＝0)。用以微米為單位給出的坐標(z，y)在z-y平面中限定45.0°反射器的位置。在下面所有的圖中採取同樣的方法來限定反射表面。反射器的左下方坐標在(15，-2)處並且右上方坐標在(19，2)處，其中，一條直線連接這兩個坐標。反射表面是反射器結構440的一部分。反射器結構440的高度與雷射器結構一樣高並且在有源區上方2μm，類似於在美國專利號7,799,587的圖8中所披露的反射器結構，其被描述為通過透鏡被耦合到光纖，該專利轉讓給本申請的受讓人並且其披露內容通過引用以其全部內容結合在此。圖4(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖4(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，VFF存在顯著失真，並且因此以4.0°的角度定位在反射表面420的中心上方最佳距離處的光纖僅將21％的雷射耦合到光纖。用於這種測量的光纖以及所有下面描述的光纖耦合測量都是由康寧公司生產的被稱為SMF28的具有直徑為8.2μm的芯和直徑為125μm的包層的單模光纖。應當理解，圖4(a)中的結構的VFF實際上是由雷射器的垂直近場產生的平行於襯底的表面測量的遠場。針對其餘的圖採取同樣的方法。

圖5(a)是通過前端面230和後端面210的蝕刻而形成的半導體雷射器500的橫截面，其中15μm的平坦露臺鄰近前端面並且彎曲反射表面520鄰近露臺。反射器的左下方坐標在(15，-2)處並且右上方坐標在(19，2)處，其中，一條曲線連接這兩個坐標。該曲線由y＝17.744-3.116z+0.1202z2限定。反射表面是反射器結構540的一部分。反射器結構510的高度與雷射器結構一樣高並且在有源區的中心上方2μm，類似於在美國專利號7,799,587的圖9中所披露的反射器結構，其也被描述為通過透鏡被耦合到光纖。圖5(b)示出了離開前端面並且由反射表面修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖5(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，VFF存在顯著失真，並且位於反射表面520的中心正上方最佳距離處的光纖僅耦合21％的雷射。

圖6(a)是其中前端面630和後端面610兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器600的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面630，露臺表面在穿過有源區的中心的平面下方3μm處，並且與襯底的平面成45.0°的平坦反射表面620鄰近露臺並且高度為在有源區的中心上方5μm。反射器的左下方坐標在(5，-3)處並且右上方坐標在(13，5)處，其中，一條直線連接這兩個坐標。反射表面620是反射器結構640的一部分。圖6(b)示出了離開前端面並且由反射表面620修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖6(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，該結構的VFF稍有縮小，但仍具有一些失真。位於反射表面620的中心上方最佳距離處的光纖耦合31％的雷射。

矽光子光柵以除垂直入射之外的角度接收光可以防止背反射。這(例如)在韋爾默朗等人的「用於絕緣體上矽光子集成電路的無反射光柵耦合器(Reflectionless grating couplers for Silicon-on-Insulator photonic integrated circuits)」(光學快報，第20卷，第20期，第22278-22283頁)中進行了討論。背反射可能會對耦合到矽光子的光的來源(如分布式反饋(DFB)雷射器和半導體光學放大器(SOA))有不利影響。圖7(a)是其中前端面630和後端面610兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器700的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面630，露臺表面在穿過有源區的中心的平面下方3μm處，並且與襯底的平面成38.6°的平坦反射表面720鄰近露臺並且高度為在有源區上方5μm。反射器的左下方坐標在(5，-3)處並且右上方坐標在(15，5)處，其中，一條直線連接這兩個坐標。反射表面720是反射器結構740的一部分。圖7(b)示出了離開前端面並且由反射表面720修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖7(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，該結構的VFF稍有縮小，但仍具有一些失真。VFF在從垂直於襯底離開10.2°處達到峰值。以10.2°的角度定位在反射表面720上方最佳距離處的光纖耦合29.5％的雷射。

圖8(a)是其中前端面630和後端面610兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器800的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面630，露臺表面在穿過有源區的中心的平面下方3μm處，並且彎曲反射表面820(其在與該彎曲表面的兩端相交的平面和襯底的平面之間具有45.4°角)鄰近露臺並且高度為在有源區的中心上方5μm。反射器的左下方坐標在(5，-3)處並且右上方坐標在(12，9.5)處，其中，一條曲線連接這兩個坐標。彎曲線由y＝-4.6337+0.084263z+0.051101z2限定。反射表面820是反射器結構840的一部分。圖8(b)示出了離開前端面並且由反射表面820修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖8(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，該結構的VFF顯著縮小並且不含失真。以0.7°的角度定位在反射表面820的中心上方最佳距離處的光纖耦合71.0％的雷射，這比起從圖6(a)的結構獲得的耦合來說是非常顯著的改善。

圖9(a)是其中前端面630和後端面610兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器900的橫截面，其中長度為5μm的平坦露臺鄰近前端面630，露臺表面在穿過有源區的中心的平面下方3μm處，彎曲反射表面920(其在與該彎曲表面的兩端相交的平面和襯底的平面之間具有39.5°角)鄰近露臺並且高度為在有源區的中心上方5μm。反射器的左下方坐標在(4.8，-3)處並且右上方坐標在(14.5，5)處，其中，一條曲線連接這兩個坐標。該曲線由y＝-4.5101+0.1643z+0.033644z2限定。反射表面920是反射器結構940的一部分。圖9(b)示出了離開前端面並且由反射表面920修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖8(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。與參考VFF相比，該結構的VFF顯著縮小並且VFF在從垂直於襯底離開12.3°處達到峰值。以12.3°的角度定位在反射表面920的上方最佳距離處的光纖耦合71.0％的雷射，這比起從圖7(a)的結構獲得的耦合來說是非常顯著的改善。

矽光子應用是如有源光纜、晶片到晶片光學連接以及片上光學連接的應用。在這些應用中，雷射器和矽光子晶片之間的耦合效率極其重要，因為從30％的效率變為60％的效率導致需要雷射器輸出功率的一半。所以，20mW的輸出將足夠了，而非來自雷射器的40mW的輸出。雷射器具有其自己的將電轉換為光的效率，所以消耗顯著更少的能量來產生雷射輸出。在其中矽光子晶片結束於如數據中心等地方中的應用中，因為不需要進行那麼多的冷卻，所以存在節省能量的額外好處。

已經使用到雷射器的具有1.0的折射率的外部介質進行了上面的工作。然而，已經使用接近可應用於雷射器和矽光子晶片或光纖的某些環氧樹脂的折射率的其他外部折射率(例如1.5)進行了額外的工作。這種額外的工作表明了修改反射表面的設計以使用外部介質(如環氧樹脂)獲得非常高的耦合值的能力。

灰度技術使得能夠開發各種材料的任意3D微結構，例如，韋茨(Waits)等人的「使用灰度光刻和深反應離子蝕刻對3D矽MEMS結構的微製造(Microfabrication of 3D silicon MEMS structures using gray-scale lithography and deep reactive ion etching)」(2005年的傳感器和致動器A119，第245-253頁)描述了這樣的方法。圖10(a)示出了具有外延沉積層以形成下包層140和有源區180、上包層160、高度p摻雜InGaAs接觸層1020和InP間隔層1010的InP襯底。在間隔層1010頂部，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)沉積二氧化矽層1030。然後，旋塗光阻劑並對其進行圖案化。在光阻劑中轉移對應於圖8(a)的前端面630、後端面610和彎曲反射表面820的圖案。通過常規數字階躍函數掩模來限定對應於兩個端面630和610的圖案，其中光阻劑被曝光或不被曝光並且被示為具有光阻劑圖案1040。對於對應於彎曲反射表面的圖案，使用灰度掩模，以便在光阻劑中限定彎曲區段1050。使用反應離子蝕刻(RIE)將光阻劑1040和1050的圖案轉移到二氧化矽層1030中，從而形成二氧化矽圖案1060和1070，如圖10(b)中所示。然後除去光阻劑並且在化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)中使用二氧化矽作為掩模以在相同的外延材料中形成雷射器的前端面630和後端面610以及反射表面1080的圖案，如圖10(c)中所示。利用光刻限定並且使用在InGaAs接觸層1020上停止的1:4的HCl-H3PO4來選擇性地除去雷射器上的剩餘的InP間隔層1010。使用金屬化剝離將反射表面1080的圖案塗覆鈦(Ti)的薄層，隨後是金(Au)，以便在結構840中形成反射表面820。在RIE期間光阻劑對二氧化矽的選擇性、二氧化矽對外延結構的選擇性和反射表面1080的所需形狀被用來達到適當形狀的光阻劑圖案1050。

在替代實施例中，可以使用若干順序剝離步驟從蒸發的金屬或通過蒸發、濺射或低溫PECVD沉積的介電材料(例如Si3N4、SiO2)中形成反射器結構840的形狀來形成圖8(a)的反射器結構840或圖11(a)的1140。然後可以沉積蒸發的金(Au)，從而使得反射表面820或1120確實是高度反射性的。

圖11(a)是其中前端面630和後端面610兩者均通過蝕刻形成的半導體雷射器1100的橫截面，其中平坦露臺鄰近前端面630，反射表面1120通過多個垂直分段近似來自圖8(a)的彎曲表面820。反射表面1120是反射器結構1140的一部分並且通過17個分段形成。表1從頂部到底部分別用分段編號1到17限定了這些分段中的每個分段。對於每個分段，該表以微米為單位提供了分段的左上角的坐標和分段厚度。

表1

圖11(b)示出了離開前端面並且由反射表面1120修改的光的光強的2維RSoft FDTD模擬。圖11(c)以實線示出了在垂直於襯底的方向上的VFF，而來自圖1(b)的VFF被以虛線示出以供參考。VFF與在圖8(c)中獲得的VFF幾乎完全相同。以0.2°的角度定位在反射表面1120的中心上方最佳距離處的光纖耦合70.0％的雷射，因此與從圖8(c)所看到的相比，使用多個分段來近似彎曲反射表面只會導致0.8％的損失。

圖11(a)中的結構可以以各種方法來製造。這樣的方法的一個示例使用以下外延結構來幫助製造工藝。其在基於InP的結構中採用InGaAsP的薄蝕刻停止層。

在n型InP襯底上外延生長以下層以形成1310nm發射雷射器結構：

-n摻雜InP緩衝層

-20nm的n摻雜InGaAsP蝕刻停止層

-230nm的n摻雜InP層和20nm的n摻雜InGaAsP蝕刻停止層形成分段17

-480nm的n摻雜InP層和20nm的n摻雜InGaAsP蝕刻停止層重複5次形成分段16、15、14、13和12

-90nm的n摻雜InP層、105nm的未摻雜AIGaInAs漸變層、10nm的未摻雜AIGaInAs拉伸勢壘、6nm的未摻雜AIGaInAs壓縮量子阱和10nm的未摻雜AIGaInAs拉伸勢壘重複5次、105nm的未摻雜AIGaInAs漸變層、90nm的p摻雜InP層、20nm的p摻雜InGaAsP蝕刻停止層形成分段11

-480nm的p摻雜InP層和20nm的p摻雜InGaAsP蝕刻停止層重複2次形成分段10和9

-500nm的p摻雜InP形成分段8

-250nm的高度p摻雜InGaAs接觸層形成分段7

-480nm的未摻雜InP層和20nm的未摻雜InGaAsP蝕刻停止層重複5次形成分段2、3、4、5和6

-500nm的未摻雜InP層形成分段1

使用以下工藝來形成半導體雷射器1100。使用蝕刻500nm的InP但將在下面的InGaAsP層上停止的1:4的HCl-H3PO4執行光刻以限定分段1。

除去光刻掩模並且執行下一次光刻以限定分段2。使用1:1:10的H2SO4:H2O2:H2O來蝕刻20nm的InGaAsP層，隨後是蝕刻480nm的InP的1:4的HCl-H3PO4，但在下面的InGaAsP層上停止。此過程重複4次以上，以形成分段3、4、5和6。

此時分段1到6形成，並且還暴露出由高度p摻雜的InGaAs層終止的雷射器外延結構的表面。使用如美國專利申請號11/356,203、美國專利號8,130,806或美國專利號7,606,277中所描述的那些工藝的工藝，形成具有前端面630和後端面610的蝕刻端面雷射器。

如同限定分段2那樣來限定分段8、9和10。

進行針對分段11的下一次光刻，使用1:1:10的H2SO4:H2O2:H2O蝕刻20nm的InGaAsP層，1:4的HCl-H3PO4蝕刻90nm的InP，1:1:10的H2SO4:H2O2:H2O蝕刻含AIGaInAs的所有的層，並且使用1:4的HCl-H3PO4蝕刻90nm的InP，其在下面的InGaAsP層上停止。

如同限定分段2那樣來限定分段12、13、14、15、16和17。

將分段的垂直表面塗覆薄Ti，隨後是Au，以形成反射表面1120。

改變雷射的方向以及光束形狀的能力對於如耦合到矽光子晶片中的矽光柵的應用非常重要。

蝕刻端面雷射器具有確定性端面位置，因為端面是通過光刻限定的。這與其中端面的位置通過切割來確定並且通常距離所需的位置至少±2μm的切割端面雷射器大不相同。加入與蝕刻端面相光刻對準的光刻限定反射表面允許對蝕刻端面雷射器與反射表面之間的相對位置的高度控制。這是很重要的，因為它允許反射表面在對光束進行整形和引導時起到主導作用。

在需要從反射表面反射最大量的光的情況下，理想的是將反射表面塗覆金屬，如Au。這可以(例如)通過在反射表面上沉積Ti的薄層用於粘附、隨後是一層Au來實現。在本文中所呈現的模擬中，每當使用反射表面時，其塗覆有Au。

圖12(a)示出了具有鄰近前端面而定位、用於修改光束的方向和形狀的彎曲反射表面的蝕刻端面2μm寬脊型雷射器的透視圖。圖12(a)是圖8(a)中的結構的3維版，所以彎曲反射表面遵循在z-y橫截面中的相同的圖案。圖12(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。應當理解，圖12(a)的結構的水平遠場(HFF)實際上是由雷射器的水平近場產生的平行於襯底的表面測量的遠場。針對其餘的圖採取同樣的方法。遠場圖案示出了15.8°的HFF和9.0°的VFF，其中該HFF中心在0.0°處，該VFF中心在-0.3°。

圖13(a)示出了具有鄰近前端面而定位、用於修改光束的方向和形狀的彎曲反射表面的蝕刻端面錐形脊型雷射器的透視圖。該彎曲反射表面與圖12(a)中的彎曲反射表面相同。腔的長度為250μm，其中，脊在錐形之前2μm處。在錐形區中，脊在75μm的長度上從2μm線性擴展到8μm。圖13(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。遠場圖案示出了9.7°的HFF和9.4°的VFF，其中該HFF中心在0.0°處，該VFF中心在-0.3°。加入錐度允許HFF縮小，這可以允許甚至更好地耦合到矽光子晶片或光纖。

圖14(a)示出了蝕刻端面2μm寬脊型雷射器的透視圖，該雷射器具有鄰近前端面而定位的彎曲反射表面，用於修改光束的方向和形狀，而光束中心在沿脊穿過腔的垂直平面外。圖14(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。遠場圖案示出了15.5°的HFF和9.6°的VFF，其中該HFF中心在0.0°處，該VFF中心在12.3°。

圖15(a)示出了具有修改HFF的鄰近前端面的第一區段的蝕刻端面2μm寬脊型雷射器，如在美國專利申請號13/889,207中所描述的，該申請轉讓給本申請的受讓人並且其披露內容通過引用以其全部內容結合在此。兩個壁的最接近區段處的間隙為6μm。壁的角度是10.0°，並且壁的長度為10μm。圖15(a)還示出了具有修改光束的方向和VFF的鄰近第一區段的彎曲反射器的第二區段。在z-y橫截面中，反射器的左下角坐標在(12，-5)處，並且右上角坐標在(23.5，7)處，其中，一條曲線連接這兩個坐標。該曲線由y＝-4.8079-0.52299z+0.043255z2限定。圖15(b)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。遠場圖案示出了13.5°的HFF和8.1°的VFF，其中該HFF中心在0.0°處，該VFF中心在1.7°。圖15(a)中的結構是圖13(a)中的結構的替代方案，用於修改VFF和HFF兩者。

圖16(a)示出了在x、y、z空間中的環的透視圖並且限定了主半徑或R-主、次半徑R-次以及環的中心。圖16(b)以灰度示出了具有由環的表面和矩形的交點限定、鄰近前端面而定位、用於在VFF和HFF兩者中修改光束的方向和形狀的彎曲反射表面的蝕刻端面2μm寬脊型雷射器的透視圖。圖16(c)在x、y、z空間中使用線繪圖表示方式示出了圖16(b)，並且使用MC1、MC2、MC3和MC4限定了彎曲反射表面的角。在本示例中，環由20μm的R-主、50μm R-次限定，並且環的中心的位置在(x，y，z)坐標系統中為(10，18，-11)，其中單位為μm。MC1位於(-10，-3，3.7)，MC2位於(-10，5，11.7)，MC3位於(10，-3，3.7)，並且MC4位於(10，5，11.7)。在脊的中心的面上的有源區的中心為(0，0，0)。圖16(d)示出了在平行於襯底的平面的橫截面中並且通過3維RSoft FDTD模擬獲得的遠場。遠場圖案示出了13.5°的HFF和9.7°的VFF，其中該HFF中心在0.0°處，該VFF中心在1.7°。與圖12(b)相比，我們看到了HFF的縮小。該結構可以使用(例如)以上描述的方法中的一種方法來建立。

圖17示出了具有連同絕熱錐與矽光子晶片的矽光柵區段相集成的彎曲反射結構的蝕刻端面脊型雷射器。利用對光束形狀和光束方向的修改，雷射器可以倒裝安裝到矽光子晶片上。雖然矽光柵被示為在絕熱錐外，但可以使用在錐中的光柵，如凡萊爾(Van Laere)等人的「用於絕緣體上矽集成電路的緊湊聚焦光柵耦合器(Compact Focusing Grating Couplers for Silicon-on-Insulator Integrated Circuits)」(IEEE光子技術通訊(IEEE Photonics Technology Letters)，第19卷，第23期，第1919-1921頁(2007))教導的那些。雖然波束方向已被描繪為具有遠離雷射器的角度，但可以理解的是，反射表面的曲率可被設計為使光束具有朝向雷射器的角度。

圖18描繪了切割端面雷射器、基座1810、具有彎曲反射器1820的經圖案化的襯底1830和矽光子晶片的矽光柵1840的混合組裝1800。具有前切割端面130和背切割端面110的雷射器有源區向上地安裝在基座1810上。基座1810被安裝在經圖案化的載體襯底1830上，其中彎曲反射器1820面向雷射器的前端面130。載體襯底1830可以(例如)由模製的塑料製造，其中反射塗層被施加以形成反射器1820。載體襯底可以具有允許相對於載體襯底以高度準確性來定位基座的形狀。光束方向和光束形狀可以被修改以(例如)以高效率耦合矽光子晶片上的矽光柵1840。

圖19描繪了切割端面雷射器、基座1910、具有彎曲反射器1920的經圖案化的襯底1930和矽光子晶片的矽光柵1940的混合組裝1900。具有前切割端面130和背切割端面110的雷射器有源區向下地安裝在基座1910上。基座1910被安裝在經圖案化的載體襯底1930上，其中彎曲反射器1920面向雷射器的前端面130。載體襯底1930可以(例如)由模製的塑料製造，其中反射塗層被施加以形成反射器1920。可以對光束方向和光束形狀進行修改，以(例如)高效率地耦合矽光子晶片上的矽光柵1940。圖19示出了波束方向具有在雷射器的方向的分量。

如前面所討論的，給定蝕刻端面的光刻限定，它們被形成為其位置被良好地限定或以確定的方式形成。這同樣適用於光刻限定的反射表面。因此，雷射器晶片適合於不需要主動對準，並且與被動對準相兼容。例如，如果包括反射表面的雷射器晶片具有可匹配到矽光子晶片上的基準的基準或對準標記，則可以執行被動對準，而不是昂貴的主動對準。此外，通過雷射器晶片上的焊球或焊柱和矽光子晶片上的匹配焊盤(或者矽光子晶片上的焊球或焊柱和雷射器晶片上的匹配焊盤)的放置，可以通過回流焊工藝執行晶片的自對準。

蝕刻端面雷射器可以被設計成在非密封環境中操作，如在美國專利申請號11/356,203中所描述的，該申請轉讓給本申請的受讓人並且其披露內容通過引用以其全部內容結合在此。這對於如矽光子等的應用特別有趣。將能夠在非密封環境中操作的雷射器晶片倒裝晶片放置到矽光子晶片上消除了在組合周圍放置密封封裝的需要。這是一項重大的成本優勢。

單縱模雷射器在許多應用中比多縱模雷射器更可取。一個這樣的應用是在與多縱雷射器相比使用單縱模雷射器獲得更長的通信範圍的數據通信中。如以上所討論的，具有以下各項中的一項或多項的DFB雷射器允許修改來自雷射器的光束形狀：階梯、頂和反射側壁。轉讓給本申請的受讓人並且其披露內容通過引用以其全部內容結合在此的美國專利號7,835,415教導了一種可以連同本披露一起用來進行雷射束控制的替代單縱雷射器。

具有高VFF值(如大於40.0°)的半導體雷射器可被設計成具有較低的閾值電流，這是所期望的。然而，通常，這些雷射器具有到(例如)光纖的不良耦合。本披露允許高VFF的低閾值電流的好處，同時允許良好的耦合效率。

雖然根據基於1310nm發射InP的雷射器對本披露進行了描述，但將理解的是，InP上的雷射器結構上的其他波長以及其他襯底上的其他波長的雷射器(如GaN襯底上的雷射器結構上的紫色、藍色和綠色和GaAs襯底上的雷射器結構上的紅外和紅色)也可以受益於本披露。

雖然已經主要針對雷射器對本披露進行了描述，但它也適用於被耦合到矽光子晶片的SOA和反射SOA，所述矽光子晶片通過將SOA耦合到矽光子晶片中的光柵產生cw雷射源，所述光柵將反饋提供給SOA以形成雷射器。

如以上所討論的，雷射器的光束形狀和光束方向修改對於如視網膜投影機和微型投影機等的應用可以消除對沉重且昂貴的透鏡的需要。例如，具有光束形狀和光束方向修改的基於GaN或GaAs襯底的可見雷射源(如以上所描述)允許與基於微機電系統(MEMS)的結構的有效耦合以建立緊湊且輕質的視網膜投影機或微型投影機。

雖然已經根據優選實施例對本披露進行了說明，但是將理解的是，可以在不脫離如在所附權利要求中論述的其真正精神和範圍的情況下做出變化和修改。