電泵浦的半導體消逝雷射器的製作方法

2023-12-02 09:32:46 2

專利名稱：電泵浦的半導體消逝雷射器的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及光學器件，並且更具體地，本發明涉及光互聯和光通信。
背景技術：
隨著網際網路數據業務增長率正趕上電話業務，對於快速和有效的基於 光的技術的需求日益增長，推動了對光纖光通信的需求。在密集波分復用 (DWDM)系統和吉比特(GB)乙太網系統中在相同光纖上進行的多光通 道傳輸提供了簡單的方式來使用由光纖光學器件提供的空前的容量(信號 帶寬)。系統中通常使用的光學部件包括波分復用(WDM)發送器和接 收器，諸如衍射光柵、薄膜濾光器、光纖布拉格光柵、陣列波導光柵的光 學濾光器，光分/插復用器和雷射器。
雷射器是通過激發發射發光的公知器件，產生頻譜範圍從紅外到紫外 的相干光束，並且可以用於廣闊的陣列應用中。例如，在光通信或網絡應 用中，半導體雷射器可以用於產生光或光束，可以在該光或光束上編碼和 傳輸數據或其它信息。
用於光通信中的另外的器件包括光發送器，其是寬帶DWDM網絡系統 和吉比特(GB)乙太網系統中的關鍵部件。當前，大多數光發送器基於與 外部調製器組合的多個固定波長雷射器或某些情況下直接調製的雷射器。 在雷射器產生的光被調製後，利用外部復用器對其進行復用並然後輸送給 光纖網絡，在此會由光開關對被調製的光進行放大或引導，或既進行放大 又進行引導。分開的雷射器和調製器用於每個傳輸通道，因為雷射器典型地產生固定的波長。然而，生產雷射器和相關部件的成本非常高，並且對 要傳輸的每個波長的光使用分開的部件是昂貴和低效的。


通過範例方式示例本發明並且本發明不限於附圖。
圖1A是總體示出根據本發明的教導的包括反射器的電泵浦的混合半 導體消逝雷射器的一個範例的示例；
圖IB是總體示出根據本發明的教導的包括環形諧振器的電泵浦的混 合半導體消逝雷射器的一個範例的示例；
圖2是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的側橫截面視圖3是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的橫截面視圖4是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖5是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖6是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖7是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖8是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另 一橫截面視圖9是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖IO是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 的一個範例的另一橫截面視圖11是總體示例一個範例系統的圖示，該範例系統包括具有集成的半 導體調製器的超高容量發送器-接收器和根據本發明的教導的電泵浦的混合 鍵合的多波長雷射器。
具體實施例方式
公開了用於提供電泵浦的混合半導體消逝雷射器陣列的方法和裝置。 在以下描述中，提出了許多具體細節，以提供對本發明的徹底理解。然而， 對於本領域技術人員，不必利用具體細節來實現本發明是明顯的。在其它 實例中，為了避免使本發明不清楚，不詳細描述公知材料和方法。
整個說明書中引用的"一個實施例"或"實施例"意指結合實施例描 述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個實施例中。從而，整 個說明書中多個地方出現的短語"在一個實施例中"或"在實施例中"不 必全指相同實施例。此外，可以在一個或多個實施例中以任何合適的方式 組合特定特徵、結構或特性。另外，應當理解，同此提供的附圖是用於對 本領域技術人員的解釋目的，並且附圖不必按比例繪製。
為示例，圖1A和1B是根據本發明的教導的總體示出包括消逝地耦合 至無源半導體材料的有源增益介質材料的電泵浦的混合半導體消逝雷射器 101的範例的示例。如描繪的範例中所示，雷射器101從單層半導體材料 103提供光束119。如所示，單層半導體材料103是矽的無源層，諸如例如 是絕緣體上矽(SOI)晶片的矽層。在示例的範例中，光束119是雷射輸出， 該雷射輸出的雷射譜寬度主要由雷射器101的增益和腔反射譜寬度決定。 如所示，雷射器101包括置於單層半導體材料103中的光波導105。在示例 的範例中，根據本發明的教導，光波導105可以是矽脊形波導、平板波導 或置於單層半導體材料103中的其它合適類型的光波導。
在圖1A中示例的範例中，光波導105包括在反射器107和109之間沿 光波導105限定的光腔127。在多個範例中，根據本發明的教導，反射器 107和109可以包括在半導體材料103中的一個或多個光柵、在半導體材料 103的腔面上的反射塗層、或在光波導105中限定光腔的其它合適工藝。在 另一範例中，諸如圖1B中示例的範例，根據本發明的教導，雷射器101包 括置於半導體材料103中的環形光波導120，並且光耦合至光波導105，以 沿光波導105限定光腔。在其中光腔包括反射器107和109的圖1A中所示 的範例中，不包括環形諧振器120。在其中光腔包括環形諧振器120的圖 1B中所示的範例中，不包括所包括的反射器107和109。如描繪的範例中所示，諸如增益介質材料123的有源半導體材料跨光 波導105置於單層半導體材料103之上並耦合到單層半導體材料103。為此 公開的目的，有源增益介質材料或有源半導體材料可以解釋為響應於電流 注入或電泵浦而發光的材料。因此，在示例的範例中，根據本發明的教導， 增益介質材料123可以是電泵浦的光發射層。在另一範例中，可以有多於 一個的光波導105置於單層半導體材料103中，以形成多個雷射器。在一 個範例中，根據本發明的教導，增益介質材料123是諸如III-V半導體條的 有源半導體材料和/或具有合適的厚度和摻雜濃度的其它合適的材料和組 合，III-V半導體條包括諸如InP、 AlGalnAs、 InGaAs和/或InP/InGaAsP的 III-V半導體材料。特別地，增益介質材料123是非對稱(offset)多量子阱 (MQW)區增益晶片，其是倒裝的晶片或晶片，該晶片或晶片是跨SOI晶 片的矽層中的一個或多個光波導的"頂部"鍵合的或外延生長的。結果， 形成了一個或多個III-V雷射器，沿光波導105限定增益-介質半導體材料界 面。因為對於鍵合如所示的跨一個或多個光波導105鍵合的增益介質材料 123，不存在對準問題，所以，根據本發明的教導，以聯接和對準分離的單 獨的雷射器的成本的一小部分提供和製造了一個或多個雷射器101，諸如例 如垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)等。
在圖1A和1B中示例的範例中，根據本發明的教導，電泵浦電路161 耦合到增益介質材料123，以在雷射器101的操作期間電泵浦增益介質。在 一個範例中，電泵浦電路161可以直接集成在單層半導體材料103內。例 如，在一個範例中，單層半導體材料103是矽，且電泵浦電路161可以直 接集成在矽中。在另一範例中，電泵浦電路161可以是單層半導體材料103 的外部電路。
如將討論的，在一個範例中，電泵浦電路161如圖1A和1B中所示的 耦合到增益介質材料123，使得注入電流注入到增益介質材料123的有源材 料中，以便通過增益介質材料123限定電流注入路徑並且電流路徑與光腔 127中的光束119的光模式或光路徑交疊或至少部分地交疊。結果，根據本 發明的教導，響應於增益介質材料123的電泵浦、響應於沿與光束119的 光模式交疊或至少部分交疊的電流注入路徑的電流注入而在光腔127中產 生光。根據本發明的教導，利用如公開的雷射器101，光模式119從增益介質材料123的有源區獲得電泵浦的增益，其同時由無源半導體材料103的光波導105引導。
在另一範例中，根據本發明的教導，電泵浦電路161也可以耦合到半導體材料103的無源材料，使得此電流注入路徑的至少部分也可以穿過如圖1A和1B中所示的單層半導體材料103中的光波導。在該範例中，根據本發明的教導，電流注入路徑通過光波導105中的半導體材料103的無源材料以及增益介質材料123和單層半導體材料103之間的消逝耦合。
在一個範例中，具有特定波長的光在圖1A的反射器107和109之間來回反射，使得在光腔127中以特定的波長發生激射。在另一範例中，具有特定波長的光在圖1B的環形諧振器120內諧振，使得在環形諧振器120中以特定波長發生激射。在多個範例中，根據本發明的教導，光腔127用以發生激射的特定波長由反射器107和/或109反射的光的波長確定或由在環形諧振器120內諧振的光的波長確定。
圖2是總體示出根據本發明的教導的範例雷射器201的側橫截面視圖。在一個範例中，雷射器201可以與圖1A或1B中示例的雷射器101對應。如圖2中所示，雷射器201集成在SOI晶片中，SOI晶片包括單半導體層203，而掩埋氧化物層229置於單半導體層層203和基底層231之間。在一個範例中，單半導體層203和基底層231由無源矽製成。如所示，光波導205置於單半導體層203中，光束219通過單半導體層203引導。在圖2中示例的範例中，光波導205是脊形波導、平板波導等，光腔227限定在反射器207和209之間。如圖2中所示，根據本發明的教導，在一個範例中，反射器207和209是布拉格反射器。
類似於圖1A或1B的增益介質材料123，增益介質材料223如圖2中所示地跨光波導205的"頂部"並鄰接光波導205鍵合到或外延生長在單層半導體材料203的單層上的"頂部"。結果，存在沿光波導205的增益介質-半導體材料界面233，該界面平行於沿光波導205的光束的傳播方向。在一個範例中，增益介質-半導體材料界面233是消逝耦合界面，其可以包括在有源增益介質材料233和光波導205的半導體材料203之間的鍵合界面。例如，該鍵合界面可以包括薄的Si02層或其它合適的鍵合界面材料。在一個範例中，增益介質材料223是有源III-V增益介質，並且在光波導205
9和增益介質材料223之間的增益介質-半導體材料界面233處存在消逝光耦合。取決於光波導205的波導尺寸，光束219的光模式的部分在m-V增益介質材料223裡面，且光束219的光模式的部分在光波導205裡面。在一個範例中，電泵浦增益介質材料223，以在光腔227中產生光。
在具有包括諸如MQW的有源材料的增益介質材料223和具有作為反射器或反射鏡的基於無源矽波導的光柵的範例中，根據本發明的教導，在光腔227內獲得了激射。圖2中，利用在具有III-V增益介質223的光腔227中的反射器207和209之間來回反射的光束219示出了激射。在示例的範例中，根據本發明的教導，反射器209是部分反射的，使得光束219輸出圖2的右側。在一個範例中，雷射器201是寬帶雷射器並且反射器207和209因此不必是用於光腔227的窄帶反射器或布拉格光柵，根據本發明，這大大降低了製造複雜性。在一個範例中，演示了激射，閾值為120mA、在15"C的最大輸出功率為3.8mW、微分量子效率為9.6%。在一個範例中，雷射器201操作在至少80°C,特徵溫度為63K。
圖3是總體示出電泵浦的混合半導體消逝雷射器301的一個範例的橫截面視圖，根據本發明的教導，其可以與以上結合圖1A、 1B或2所示例和描述的雷射器中的一個對應。如所示，包括SOI晶片，其具有置於單層半導體材料303和半導體基底331之間的掩埋氧化物層329。在另一範例中，根據本發明的教導，層329可以包括不同的材料，諸如是掩埋氮化物層或矽氧氮化物層或其它合適類型的材料。在示例的範例中，矽脊形波導305置於單層半導體材料303中。
繼續針對圖3所示的範例，增益介質材料323鍵合在限定消逝耦合333的光波導305的頂部。消逝耦合333在增益介質材料323和光波導305之間，取決於光波導305的尺寸，光模式319的部分在光波導305的脊形區裡面，且光模式319的部分在增益介質材料323裡面。
如圖3中所示，增益介質材料323的一個範例是III-V半導體材料，其包括P型層325、有源層326以及鍵合到N型矽單層半導體材料303的N型III-V層328。在一個範例中，增益介質材料323包括InP或另外的合適的III-V材料。在一個範例中，P型層325包括P型四元層328、 P型蓋層330和P型分別限制異質結(SCH) 332,如圖3的範例中所示。在一個範例中，有源層326包括MQW材料。在示例的範例中，根據本發明的教導，增益介質材料323鍵合到光波導305的脊形區並與其鄰接。如所示，接觸部341也耦合到增益介質材料323。
在圖3中所示的範例中，根據本發明的教導，示例了導電鍵合設計，其中經由矽光波導305執行電流注入，以操作和電泵浦雷射器301。同樣，矽脊形波導305包括n型摻雜。在示例的範例中，接觸部343和345耦合到光波導305的條形區的外部部分。圖3的示例示出了電子經由接觸部343和345並穿過N型摻雜的矽半導體層303注入到有源層326，且空穴經由接觸部341並穿過P型層325注入到有源層326。在圖3中所示的範例中，電子示例為e-，而空穴示例為h+。因此，電流注入路徑穿過增益介質材料323的有源層326限定在接觸部341、 343和345之間，並與光模式319交疊或至少部分交疊，如圖3的範例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應於增益介質材料323的電泵浦、響應於沿與光束319的光模式交疊或至少部分交疊的電流注入路徑的電流注入而產生光。
應當注意，由於在側向方向上增益介質材料323的III-V區的對稱性，所以在鍵合前，在增益介質材料晶片和光波導305之間無需對準步驟。從而，根據本發明的教導，在矽晶片上提供了與無源半導體波導部分自對準的大規模光集成的電泵浦源，因為雷射器和無源波導都可以使用相同的互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容的SOI刻蝕來限定。
還應當注意，在圖3中示例的範例中，接觸部343和345耦合到無源N型Si半導體層303，使得穿過消逝耦合界面333並穿過無源半導體材料303來限定電流注入路徑的部分。在另一範例中，接觸部343和345可以耦合到增益介質材料323，使得整個電流注入路徑不通過消逝耦合界面333，並且因此保持在增益介質材料323內。
為示例，圖4是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器401的另一範例的另一橫截面視圖，其中整個電流注入路徑保持在增益介質材料內。應當注意，根據本發明的教導，圖4的雷射器401可以與以上結合圖1A、 1B或2示例和描述的雷射器中的一個對應。如所示，包括SOI晶片，其具有置於SOI晶片的單層半導體材料403和半導體基底431之間的掩埋氧化物層429。在示例的範例中，矽脊形波導405置於單層半導體材料403中。增益介質材料423鍵合到限定消逝耦合433的光波導405的頂部上。消逝耦合433在增益介質材料423和光波導405之間，取決於光波導405的尺寸，光模式419的部分在光波導405的脊形區的裡面且光模式419的部分在增益介質材料423的裡面。
在圖4中示出的範例中，增益介質材料423的一個範例是III-V半導體材料，其包括P型層425、有源層426和鍵合到N型矽單層半導體材料403的N型III-V層428。在一個範例中，增益介質材料423包括InP或別的合適的III-V材料。在一個範例中，P型層425包括P型四元層428、 P型蓋層430和P型SCH層432。在一個範例中，有源層426包括MQW材料。如示例的範例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料423鍵合到光波導405的脊形區並與其鄰接。如所示，接觸部441也耦合到增益介質材料423。
在圖4所示的範例中，與圖3的雷射器相比，接觸部443和445直接耦合到增益介質材料423的N型m-V層428，而不是光波導305的條形區的外部部分。同樣，圖4所示例的範例示出了電子經由接觸部443和445穿過N型III-V層428注入到有源層426，而空穴經由接觸部441穿過P型層425注入到有源層426。從而，電流注入路徑穿過增益介質材料423的有源層426限定在接觸部441、 443和445之間，並且與光模式419交疊或至少部分地交疊，如圖4的範例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應於增益介質材料423的電泵浦、響應於沿與光束419的光模式交疊或至少部分交疊的電流注入路徑的電流注入而產生光。應當注意，在圖4示例的範例中，接觸部443和445直接耦合到增益介質材料423的N型III-V層428，電流注入路徑不通過消逝耦合界面433，並且因此保持在增益介質材料423內。
應當注意，在圖3和4示例的範例中，光波導305和405均示例為脊形波導。在另一範例中，根據本發明的教導，應當理解也可以使用其它合適類型的光波導。例如，在另一範例中，可以使用平板波導。為示例，圖5是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器501的另一範例的另一橫截面視圖，其中包括平板波導。應當注意，根據本發明的教導，圖5的雷射器501可以與以上結合圖1A、 1B或2示例和描述的雷射器中的一個對應。
如描繪的範例中所示，包括SOI晶片，其具有置於SOI晶片的單層半導體材料503和半導體基底531之間的掩埋氧化物層529。在示例的範例中，矽平板波導505置於單層半導體材料503中。增益介質材料523鍵合到限定消逝耦合533的平板波導505的頂部上。消逝耦合533在增益介質材料523和光波導505之間，取決於光波導505的尺寸，光模式519的部分在光波導505裡面且光模式519的部分在增益介質材料523裡面。
在圖5中示出的範例中，增益介質材料523的一個範例是III-V半導體材料，其包括P型層525、有源層526和鍵合到N型矽單層半導體材料503的N型III-V層528。在一個範例中，增益介質材料523包括與例如圖4的增益介質材料423或圖3的增益介質材料323的材料類似的材料。如示例的範例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料523鍵合到光波導505並與其鄰接。如所示，接觸部541也耦合到增益介質材料523。
與圖4中所示的範例接觸部443和445類似，圖5中所示的接觸部543和545直接耦合到增益介質材料523的N型III-V層528。相應地，電子經由接觸部543和545穿過N型III-V層528注入到有源層526，而空穴經由接觸部541穿過P型層525注入到有源層526。從而，電流注入路徑穿過增益介質材料523的有源層526限定在接觸部541、 543和545之間，並且與光模式519交疊或至少部分地交疊，如圖5的範例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應於增益介質材料523的電泵浦、響應於沿與光束519的光模式交疊或至少部分交疊的電流注入路徑的電流注入而產生光。應當注意，在圖5中示例的範例中，接觸部543和545直接耦合到增益介質材料523的N型III-V層528，電流注入路徑不通過消逝耦合界面533，並且因此保持在增益介質材料523內。
圖6是總體示出根據本發明的教導的電泵浦的混合半導體消逝雷射器601的一個範例的另一橫截面視圖。能夠注意到，雷射器601與圖4的範例雷射器401具有相似之處。例如，圖6中示例的範例包括SOI晶片，其具有置於SOI晶片的單層半導體材料603和半導體基底631之間的掩埋氧化物層629。在示例的範例中，矽脊形波導605置於單層半導體材料603中。增益介質材料623鍵合到限定消逝耦合633的光波導605的頂部上。消逝
13耦合633在增益介質材料623和光波導605之間，取決於光波導605的尺寸，光模式619的部分在光波導605的脊形區裡面，且光模式619的部分在增益介質材料623裡面。
在示例的範例中，增益介質材料623是III-V半導體材料，其包括P型層625、有源層626和鍵合到N型矽單層半導體材料603的N型III-V層628。在一個範例中，增益介質材料623包括與例如圖4的增益介質材料423或圖3的增益介質材料323的材料類似的材料。如示例的範例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料623鍵合到光波導605並與其鄰接。如所示，接觸部641也耦合到增益介質材料623。與圖4的接觸部443和445類似，接觸部543和645直接耦合到增益介質材料423的N型III-V層628。同樣，圖6示例的範例示出了電子經由接觸部643和645穿過N型III-V層628注入到有源層626，而空穴經由接觸部641穿過P型層625注入到有源層626。從而，電流注入路徑穿過增益介質材料623的有源層626限定在接觸部641、 643和645之間，並且與光模式619交疊或至少部分地交疊，如圖6的範例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應於增益介質材料623的電泵浦、響應於沿與光束619的光模式交疊或至少部分交疊的電流注入路徑的電流注入而產生光。
雷射器601和雷射器401之間的一個差別是雷射器601的一個範例還包括限制區634和636，如圖6中所示。在一個範例中，限制區634和636是如所示的限定在增益介質材料623的相對的側向側上的限制區，以有助於將來自接觸部641的注入電流限制或聚焦於與光模式619交疊或至少部分交疊的有源層626的部分。在一個具有限制區634和636的範例中，來自接觸部641的注入電流往往側向擴展，這增加了損耗並降低了雷射器601的功率。然而，根據本發明的教導，利用限制區634和636，更多的注入電流被垂直限制或被迫通過有源層426並與光模式619交疊。在圖6中示例的範例中，根據本發明的教導，利用質子對P型層625進行轟擊或注入，以如所示的將被轟擊的部分P型層625轉變為絕緣的或至少半絕緣的區限制區634和636。在其它範例中，根據本發明的教導，可以通過刻蝕和再生長或氧化或其它合適技術來得到限制區634和636。
圖7是示出另一雷射器701的範例的示例，根據本發明的教導，其包擴用於垂直限制注入電流的限制區。在一個範例中，雷射器701與圖6的 雷射器601具有許多相似之處，並且類似的元件相應地在圖7中類似地編 號。如圖7的範例中所示，根據本發明的教導，雷射器701中的限制區734 和736如所示的限定在增益介質材料623的相對的側向側上，以有助於將 來自接觸部641的注入電流垂直限制或聚焦於與光模式619交疊或至少部 分交疊的有源層626的部分。
在一個範例中，通過如所示的側向刻蝕增益介質材料623設置限制區 734和736，以垂直限制或迫使注入電流下降到有源層626。在一個範例中， 根據本發明的教導，半絕緣或絕緣材料，諸如Si02或聚合物或其它合適材 料，可以填充到刻蝕區中，以形成限制區734和736。
在另一範例中，可以通過如圖7中所示的在接觸部641的相對的側上 注入諸如磷等的材料並然後老化得到的結構來設置限制區734。這在量子阱 中引起相互擴散，使得它們提高它們的帶隙並變得透明。然後，根據本發 明的教導，可以注入氫，以將P型材料轉變為半絕緣材料，得到限制區734 和736，如圖7中所示。
圖8是示出另一雷射器801的範例的示例，根據本發明的教導，其也 包括用於垂直限制注入電流的限制區634和636。在一個範例中，雷射器 801與圖6的雷射器601具有許多相似之處，並且類似的元件相應地在圖8 中類似地編號。如圖8的範例中所示，與例如圖6的雷射器601相比，激 光器801包括的接觸部841和843非對稱地布置。具體地，增益介質材料 823的頂部的表面區域比圖6的增益介質材料623的頂部的表面區域大，使 得接觸部841基本上更大並具有到P型層625的具有較低電阻的改善的歐 姆接觸。從而，根據本發明的教導，在接觸部841和843之間提供了較低 的總電阻，以在注入電流到有源層626中時提供改善的性能。
圖9是示出另一雷射器901的範例的示例，根據本發明的教導，其也 包括用於垂直限制注入電流的限制區734和736。在一個範例中，雷射器 卯l與圖7的雷射器701具有許多相似之處，並且類似的元件相應地在圖9 中類似地編號。如圖9的範例中所示，與例如圖7的雷射器701相比，激 光器901包括的接觸部941和943非對稱地布置。具體地，增益介質材料 923的頂部的表面區域比圖7的增益介質材料723的頂部的表面區域大，使得接觸部941基本上更大並具有到P型層625的具有較低電阻的改善的歐 姆接觸。從而，根據本發明的教導，在接觸部941和943之間提供了較低 的總電阻，以在注入電流到有源層626中時提供改善的性能。
圖10是示出另一雷射器1001的範例的示例，根據本發明的教導，其 也包括用於垂直限制注入電流的限制區734和736。在一個範例中，雷射器 1001與圖9的雷射器901具有許多相似之處，並且類似的元件相應地在圖 10中類似地編號。如圖10的範例中所示，與例如圖9的雷射器901相比， 雷射器1001包括的接觸部941和943也非對稱地布置。然而，與接觸部943 如圖9的雷射器卯l中所示的直接耦合到N型m-V層628不一樣，雷射器 1001的接觸部1043直接耦合到半導體層1003的N型Si。結果，接觸部941 和1043之間的注入電流路徑流過消逝耦合633和N型Si半導體層1003。 需要注意，根據本發明的教導，限制區734和736的組合與蓋區結合限定 光波導605的脊形區的側向側，迫使或限制注入的電流流過有源層626中 的光模式619。
圖11是範例光學系統1151的示例，根據本發明的教導，該範例光學 系統包括集成的半導體調製器多波長雷射器，該雷射器具有電泵浦的混合 半導體消逝雷射器101的陣列，電泵浦的混合半導體消逝雷射器101包括 消逝地耦合到無源半導體材料103的有源增益介質材料123。在一個實施例 中，應當理解，根據本發明的教導，雷射器101的陣列中的每個範例雷射 器可以與先前所述的電泵浦的混合雷射器的一個或多個類似。在示例的範 例中，如圖11中示例的單半導體層103是光晶片，其包括多個光波導105A、 105B…105N，在該多個光波導上，鍵合單條增益介質材料123，以製造分 別在多個光波導105A、 105B...105N中產生多個光束119A、 119B...119N 的寬帶雷射器陣列。根據本發明的教導，對多個光束119A、 H9B...119N 進行調製，並且然後，多個光束119A、 119B...119N的選擇的波長然後在 復用器117中組合，以輸出單光束121，其可以通過單光纖1153傳輸至外 部光接收器1157。在一個範例中，根據本發明的教導，集成的半導體調製 器多波長雷射器能夠以包括在單光束121中的多個波長在單光纖1153上以 超過1Tb/s的速度傳輸數據。例如，在包括在集成的半導體調製器多波長激 光器中的光調製器113A、 113B…113N操作在40Gb/s的範例中，集成的半
16導體調製器多波長雷射器的總容量將為NX40 Gb/s，其中N是基于波導的 雷射源的總數。在一個範例中，多個光波導105A、 105B...105N在單層半 導體材料103中以約50-100^im間隔開。對應地，在一個範例中，根據本 發明的教導，可以以小於4mm的半導體材料103的塊從集成的半導體調製 器多波長雷射器傳輸整個總線的光數據。
圖11還示出了在光學系統1151的範例中，根據本發明的教導，也可 以耦合單半導體層103，以通過單光纖1155從外部光發送器1159接收光束 1121。因此，在一個示例的範例中，根據本發明的教導，單半導體層103 是在小的形式因子(formfactor)內的超高容量發送器-接收器。在示例的範 例中，應當注意，外部光接收器1157和外部光發送器1159示例為存在於 相同晶片1161上。在另一範例中，應當理解，外部光接收器1157和外部 光發送器1159可以存在於分開的晶片上。在示例的範例中，接收的光束 1121由解復用器1117接收，其將接收的光束分束成多個光束1U9A、 1119B.,.1119N。在一個範例中，由解復用器1117根據多個光束1119A、 1119B.,.1119N各自的波長對多個光束1119A、 1119B…1119N進行分束，並 且然後通過置於單層半導體材料103中的多個光波導1105A、1105B...1105N 導引多個光束1119A、 1119B…1119N。
如示例的範例中所示， 一個或多個光探測器光耦合到多個光波導 1105A、 1105B...1105N中的每一個，以探測多個光束1119A、 1119B...1119N 的各個光束。具體地，在一個範例中，光探測器1163A、 1163B…1163N的 陣列光耦合到多個波導1105A、 1105B…1105N。在一個範例中，光探測器 1163A、 1腿…1163N的陣列包括SiGe光探測器等，以探測多個光束 1119A、 1119B…1119N。
如描繪的範例中所示，另一單條半導體材料1123可以跨多個光波導 1105A、 1105B...1105N鍵合到單層半導體材料103，以形成光耦合到多個 光波導1105A、 1105B…1105N的光探測器陣列。在一個範例中，單條半導 體材料1123包括III-V半導體材料，以製造光耦合到多個光波導1105A、 1105B…1105N的III-V光探測器。在一個範例中，根據本發明的教導，可 以使用與用於而跨多個波導105A、 105B...105N鍵合單條半導體材料123 的工藝和技術相類似的工藝和技術來將單條半導體材料1123鍵合到單層半
17導體材料103。如所示，使SiGe和基於m-V的光探測器光耦合到多個光波 導1105A、 1105B…簡N，根據本發明的教導，可以探測多個光束1119A、 1119B…1119N的多種波長。
在圖5中示例的範例中，根據本發明的教導，控制/泵浦電路1161也可 以包括或集成在單層半導體材料103中。例如，在一個範例中，單層半導 體材料103是矽，而控制電路1161可以直接集成在矽中。在一個範例中， 根據本發明的教導，可以電耦合控制電路1161，以控制、監控和/或電泵浦 多波長雷射器陣列101中的任何一個或多個雷射器、多個功率監控器、多 個光調製器、光探測器的陣列或置於單層半導體材料103中的其它器件或 結構。
在前述詳細描述中，參照其具體範例實施例描述了本發明的方法和裝 置。然而，很明顯，可以不脫離本發明的寬廣精神和範圍對其作出多種修 改和改變。因此，本發明的說明書和附圖應當視為示例性的而非限制性的。
權利要求
1、一種裝置，包括置於矽中的光波導；置於所述光波導上的有源半導體材料，在所述光波導和所述有源半導體材料之間限定消逝耦合界面，使得由所述光波導引導的光模式與所述光波導和所述有源半導體材料均交疊；以及穿過所述有源半導體材料而限定的電流注入路徑，並且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應於所述有源半導體材料的電泵浦、響應於沿與所述光模式至少部分交疊的所述電流注入路徑的電流注入而產生光。
2、 如權利要求l所述的裝置，其中，所述有源半導體材料包括電泵浦 的發光層。
3、 如權利要求2所述的裝置，其中，所述有源半導體材料包括與所述 光模式交疊的多量子阱(MQW)區。
4、 如權利要求1所述的裝置， 所述矽來限定所述電流注入路徑。
5、 如權利要求l所述的裝置， 側向側上限定的電流注入限制區， 源半導體材料而與所述光模式交疊
6、 如權利要求5所述的裝置， 源半導體材料的質子注入區。其中，還穿過所述消逝耦合界面並穿過還包括在所述有源半導體材料的相對的 以有助於限制所述電流注入穿過所述有其中，所述電流注入限制區包括所述有
7、如權利要求5所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括置於所 述有源半導體材料的所述相對的側向側上的至少半絕緣的材料。
8、 如權利要求1所述的裝置，還包括在所述電流注入路徑的相對的端 限定的至少第一和第二接觸部。
9、 如權利要求8所述的裝置，其中，所述至少第一和第二接觸部直接 耦合到所述有源半導體材料。
10、 如權利要求8所述的裝置，其中，所述第一接觸部直接耦合到所 述有源半導體材料，並且所述第二接觸部直接耦合到所述矽。
11、 如權利要求1所述的裝置，其中，所述光波導是多個波導中的一 個，所述有源半導體材料置於所述多個波導之上以形成多個雷射器。
12、 如權利要求1所述的裝置，其中，所述消逝耦合界面包括在所述 光波導和所述有源半導體材料之間的鍵合界面。
13、 一種方法，包括 利用置於矽中的光波導引導光模式；利用通過所述光波導引導的所述光模式來與所述光波導和消逝地耦合 到所述光波導的有源半導體材料均交疊 ，電泵浦所述有源半導體材料，以注入穿過所述有源半導體材料並穿過 所述光模式而導引的電流；以及響應於所注入的電流，在所述有源半導體材料中產生光。
14、 如權利要求13所述的方法，還包括利用限定在所述有源半導體材 料中的限制區來限制所注入的電流，以導引所注入的電流穿過所述光模式。
15、 如權利要求13所述的方法，其中，注入穿過所述有源半導體材料 而導引的電流還包括導引所注入的電流穿過所述有源無源半導體材料和矽 之間的消逝耦合界面並穿過所述光波導中的所述光模式。
16、 如權利要求13所述的方法，還包括在包含所述光波導的光腔內激 射光。
17、 一種系統，包括 雷射器，其包含 置於矽中的光波導；置於所述光波導上的有源半導體材料，在所述光波導和所述有源半導 體材料之間限定消逝耦合界面，使得由所述光波導引導的光模式與所述光波導和所述有源半導體材料均交疊；以及穿過所述有源半導體材料而限定的電流注入路徑，並且所述電流注入 路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應於所述有源半導體材料的電 泵浦、響應於沿與所述光模式至少部分交疊的所述電流注入路徑的電流注 入而產生光；光耦合的光接收器，用於接收由所述雷射器產生的光；以及 光纖，所述雷射器產生的光被通過所述光纖從所述雷射器導引到所述 光接收器。
18、 如權利要求17所述的系統，還包括光耦合的光調製器，用於調製 由所述雷射器產生的光。
19、 如權利要求17所述的系統，其中，所述有源半導體材料包括與所 述光模式交疊的多量子阱(MQW)區。
20、 如權利要求17所述的系統，其中，還穿過所述消逝耦合界面並穿 過所述矽來限定所述電流注入路徑。
全文摘要
一種電泵浦混合消逝雷射器的裝置和方法。例如，裝置包括置於矽中的光波導。有源半導體材料置於所述光波導上，在所述光波導和所述有源半導體材料之間限定消逝耦合界面，使得由所述光波導引導的光模式與所述光波導和所述有源半導體材料均交疊。穿過所述有源半導體材料而限定的電流注入路徑，並且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應於所述有源半導體材料的電泵浦、響應於沿與所述光模式至少部分交疊的所述電流注入路徑的電流注入而產生光。
文檔編號H01S5/042GK101507065SQ200780019542
公開日2009年8月12日 申請日期2007年6月25日 優先權日2006年6月30日
發明者A·W·豐, H·樸, J·E·鮑爾斯, M·J·帕尼恰, O·科亨, R·瓊斯 申請人:英特爾公司;加利福尼亞大學董事會