垂直耦合表面蝕刻光柵分布反饋激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種與MGVI設計和制造方法完全兼容的LCSEG-DFB激光器，用于多功能PIC內(nèi)的單增長單片集成電路。其包括臺面形式的激光器PIN結構，從上發(fā)射層頂面通過有源，假定為MQW、增益區(qū)向下蝕刻至下發(fā)射器頂面。下部電觸頭鄰近臺面設置，臺面設在下發(fā)射層，上接觸帶設在臺面頂部上的上發(fā)射層。從臺面頂面、上接觸帶之間，穿過上發(fā)射層，向下蝕刻入SCH層，限定/蝕刻成了SEG。SCH結構提供了垂直約束，臺面底部中的側面提供了橫向約束。導模通過垂直翼穿透SEG及與SEG消散消散場耦合實現(xiàn)與SEG的相互作用。
【專利說明】垂直耦合表面蝕刻光柵分布反饋激光器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體激光器領域，尤其涉及光子集成電路中所使用的分布反饋激光器的設計。
【背景技術】
[0002]II1-V族半導體激光二極管是近紅外波段范圍內(nèi)相干輻射最有效、最小巧的來源。因此，II1-V族半導體激光二極管是在基于石英光纖的光通信系統(tǒng)中的不二選擇。石英光纖具有透明的窗口，射入這些II1-V族半導體激光二極管的發(fā)射范圍內(nèi)。然而，對于所有激光二極管，獲得光學增益的基本原理都是一樣的，并與由向正向偏壓PIN結輸入電流而引起的自由載流子群的倒轉有關。半導體激光器設計的不同主要在于光腔的解決方法。最常見且最優(yōu)選的解決方法之一就是分布反饋(DFB)腔。DFB腔為激光器設計者帶來了許多好處，包括提供動態(tài)單頻產(chǎn)生的可能性，能在通過平板印刷術構建過程中控制激光頻率，以及通過光波導、調(diào)制器和其他波導光器件實現(xiàn)單片化的可行性。因此，擁有DFB腔的半導體激光二極管(以下簡稱DFB激光器)已經(jīng)成為先進的光通信系統(tǒng)的激光源的一種選擇。同時，DFB激光器是一種可以解決光子集成電路(PIC)問題的片上激光光源。PIC將光電路上不同的有源和無源波導功能性元件單獨整合到一個半導體基底上。
[0003]在先進的光網(wǎng)絡背景下，不管是本地接入還是長途應用，這些動態(tài)單頻DFB激光器在整個網(wǎng)絡上均得到普遍使用，該系統(tǒng)只需低頻芯片(如通過彌散型纖維進行的高速長途傳送)或是固定的載波頻率(如高密度波分多路復用)或者兩者兼有。因此，DFB激光器是電信市場上需求最大、產(chǎn)量也最大的光學器件。電信市場上大多數(shù)DFB激光器都工作在1550nm或者1310nm的波長窗口，分別對應于石英光纖的最小損耗和最小彌散光譜范圍。選擇的材料系統(tǒng)一般包含這些波長窗口，成為II1-V族磷化銦(InP)化合物半導體(以下簡稱II1-V族半導體)。
[0004]從PIC角度來說，DFB激光器是種很有吸引力的設計選擇。它不僅有動態(tài)單頻運行的優(yōu)勢，而且很適合與其他波導組件實現(xiàn)單片整合。有源組件(如電吸附調(diào)制器)和無源組件(模式轉換器)整合在同一個半導體基底上。這一半導體基底是個激光器，附有一個剖面的腔，如法布里珀羅激光器(FB)。在如今光通信系統(tǒng)的大多數(shù)應用中，擁有激光源的PIC與單機激光器類似，需要在1550nm或是1310nm的波長窗口里運行，使得InP以及相關II1-V族半導體自然地分別成為PIC的基底和材料系統(tǒng)的選擇。
[0005]盡管覆蓋以上重要通信光譜窗口的單機InP基DFB激光器已經(jīng)進入大量生產(chǎn)的階段，但是為片上光源提供激光器的InP基PIC依然處于萌芽狀態(tài)。至今只有少數(shù)公司進行這樣的生產(chǎn)。一部分原因在于光集成本身的難度，但主要原因在于無法經(jīng)濟有效地進行光集成，不僅使PIC很難與微光學集成電路或混合集成電路競爭，而且動態(tài)地縮小了這些PIC的市場機會。因此，設計和制造可以兼容InP材料系統(tǒng)中高性價比單片光集成的DFB激光器，依然是PIC技術向大規(guī)模商業(yè)化和部署的道路上急需解決的重要問題。
[0006]DFB激光腔的工作原理基于光波導中多波束干擾，光波導從導波開始周期性地對有效折射率進行調(diào)制，以下簡稱波導布拉格光柵。更具體來講，從布拉格光柵中經(jīng)歷了多次反射的同向?qū)Рㄔ谕幌辔徊⑼ㄟ^相長干涉增加的情況下，DFB腔效應才會出現(xiàn)。對于任意給定的光柵級別m，這種情況只會在由公式(I)所算出的布拉格波長附近發(fā)生的反向?qū)Рㄖg的直接共振耦合時才會出現(xiàn):
【權利要求】
1.一種設備，包括: 在半導體結構內(nèi)形成的臺面，其中半導體結構以支持基本光模的一個生長過程生長在半導體襯底上，包括多個半導體層，在多個半導體層構成的第一預定層內(nèi)形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蝕刻光柵，其中，所述底切與臺面可限制基本光模和電流注入到臺面。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其中: 表面光柵處理表面光柵和基本光模之間耦合系數(shù)的虛部信號，以建立“增益型”或“損失型”耦合。
3.根據(jù)權利要求1至2所述的設備，其中: 臺面進一步包括一對分離限制異質(zhì)結構和有源層，這樣基本光模根據(jù)注入的電流實現(xiàn)光學增益。
4.根據(jù)權利要求1至3所述的設備，其中: 表面蝕刻光柵被蝕刻到多個半導體層的最上層，蝕刻深度為預定深度。
5.根據(jù)權利要求 1至4所述的設備，進一步包括: 第一電觸頭，設置在相鄰表面蝕刻光柵的臺面上， 第二電觸頭，設置在多個半導體層和相鄰臺面下面的半導體層上。
6.一種方法，包括: 提供在半導體結構內(nèi)形成的臺面，其中半導體結構以支持基本光模的一個生長過程生長在半導體襯底上，包括多個半導體層，在多個半導體層構成的第一預定層內(nèi)形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蝕刻光柵，其中，所述底切與臺面可限制基本光模和電流注入到臺面。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中: 提供表面光柵的過程包括將表面光柵和基本光模之間耦合系數(shù)的虛部信號設定為預定值，以建立“增益型”或“損失型”耦合。
8.根據(jù)權利要求6至7所述的方法，其中: 提供臺面的過程進一步包括提供一對分離限制異質(zhì)結構和一個有源層，這樣基本光模根據(jù)注入的電流實現(xiàn)光學增益。
9.根據(jù)權利要求6至8所述的方法，其中: 提供表面蝕刻光柵的過程包括將多個半導體層的最上層蝕刻到預定深度。
10.根據(jù)權利要求6至9所述的設備，進一步包括: 提供第一電觸頭，該觸頭設置在相鄰表面蝕刻光柵的臺面上；以及 提供第二電觸頭，該觸頭設置在多個半導體層和相鄰臺面下方的半導體層上。
11.一種設備，包括: 外延半導體結構，包括以一個生長過程在半導體襯底上生長的多個半導體層；以及 處理外延半導體結構的光學發(fā)射器，該光學發(fā)射器包括: 臺面，該臺面從發(fā)射層的上部順序向下通過分離限制異質(zhì)結構、有源層和底切層蝕刻到下發(fā)射層的上表面而形成； 底切層，通過蝕刻臺面內(nèi)一層的預定量而形成；以及 表面光柵，在上發(fā)射層預定的中間部分形成，其中所述臺面和底切用于提供光學發(fā)射器內(nèi)光模傳播的垂直和橫向約束。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中: 臺面內(nèi)的層為底切層或有源層。
13.根據(jù)權利要求11至12所述的設備，其中: 臺面的層內(nèi)形成底切的過程進一步包括將臺面內(nèi)其它每層蝕刻預定量，預定量針對其它每層的情況而不同。
14.根據(jù)權利要求11至13所述的設備，進一步包括: 垂直耦合器，用于將光學發(fā)射器的發(fā)射光模耦合到半導體結構內(nèi)形成的一個無源波導上，該無源波導垂直設置在光學發(fā)射器的下方，其特征在于其帶隙低于有源層的帶隙。
15.根據(jù)權利要求11至14所述的設備，其中: 光學發(fā)射器至少在DFB和DBR配置中的一個配置下運行。
16.根據(jù)權利要求11至15所述的設備，其中: 表面光柵通過對在外延半導體結構的上發(fā)射層內(nèi)的周期性結構中的單一系列蝕刻到上發(fā)射層和單獨的密閉異質(zhì)結構中至少一個的預定深度形成。
17.根據(jù)權利要求11至16所述的設備，進一步包括: 第一電觸頭，在上發(fā)射層的頂部形成；以及` 第二電觸頭，在下發(fā)射層的頂部形成，設置在臺面相鄰處。
【文檔編號】H01L33/00GK103460527SQ201080070812
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2010年11月2日 優(yōu)先權日:2010年11月2日
【發(fā)明者】克里斯托弗·沃特森, 基里爾·皮梅諾夫, 瓦萊麗·托斯汀基, 吳芳, 尤芮·隆戈維 申請人:奧尼奇普菲托尼克斯有限公司