用于光子集成電路的混合垂直腔激光器的制造方法
【專利摘要】本公開提供一種用于光子集成電路（PIC）的混合垂直腔激光器。用于PIC的混合垂直腔激光器包括：光柵反射鏡，在兩個(gè)低折射率層之間；光波導(dǎo)，光耦合到光柵反射鏡；III-V半導(dǎo)體層，包括有源層，設(shè)置在兩個(gè)低折射率層的中的一個(gè)上；以及上反射鏡，覆蓋III-V半導(dǎo)體層。光柵反射鏡包括形成彼此平行布置的多個(gè)柱狀的低折射率材料部分。低折射率材料部分在寬度方向上具有至少兩個(gè)不同的寬度。
【專利說明】用于光子集成電路的混合垂直腔激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于光子集成電路(PIC)的混合垂直腔激光器，更具體地，涉及包括光柵反射鏡(grating miiror)作為垂直腔激光器的底部反射鏡的混合垂直腔激光器，其中該光柵反射鏡水平地傳輸由垂直腔激光器發(fā)射的光。
【背景技術(shù)】
[0002]使用金屬線用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娺B接由于在較高的頻率下不斷增加的傳播損耗以及電磁干擾(EMI)問題而遭受高功耗，從而導(dǎo)致在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的布局中的困難。相反，利用光來發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的光學(xué)互連技術(shù)提供低的傳播損耗以及低的EMI，從而可以實(shí)現(xiàn)高速、高帶寬數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。
[0003]混合垂直腔激光器具有其中由II1-V半導(dǎo)體形成的垂直腔激光器集成在硅結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)。
[0004]娃基PIC包括光源、光波導(dǎo)、光調(diào)制器、光濾波器、光探測器和其它光學(xué)部件,并通過光學(xué)互連來輸送信號。
[0005]用于光學(xué)互連的垂直腔激光器將垂直共振的激光束傳輸?shù)剿饺∠虻墓獠▽?dǎo)。在該情形下，增加光耦合效率是重要的。特別地，當(dāng)由II1-V半導(dǎo)體構(gòu)建的垂直腔激光器被集成到娃基板上時(shí)，需要一種將激光束有效地傳輸?shù)酵薰獠▽?dǎo)的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供一種用于光子集成電路(PIC)的混合垂直腔激光器，該混合垂直腔激光器使用光柵反射鏡，該光柵反射鏡在從共振器發(fā)出的激光束與光波導(dǎo)之間具有改善的耦合效率。
[0007]額外的方面將在以下的描述中被部分地闡述，并將部分地從該描述而變得明顯，或者可以通過實(shí)踐給出的實(shí)施方式而掌握。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間；光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到光柵反射鏡的一側(cè)；II1-V半導(dǎo)體層，包括有源層，設(shè)置在兩個(gè)低折射率層的中的一個(gè)上；以及上反射鏡，覆蓋II1-V半導(dǎo)體層。光柵反射鏡包括形成在兩個(gè)低折射率層之間的硅層中且沿垂直于第一方向的第二方向彼此平行地布置的多個(gè)柱狀的低折射率材料部分，多個(gè)低折射率材料部分具有比硅的折射率低的折射率，且具有在第一方向上的至少兩個(gè)寬度。
[0009]低折射率材料部分可以是空氣層。
[0010]至少兩個(gè)寬度可以包括第一寬度和第二寬度，第二寬度比第一寬度大IOnm至50nmo
[0011]具有第一寬度的低折射率材料部分可以與具有第二寬度的低折射率材料部分交
替地布置。
[0012]對于至少每兩個(gè)具有第一寬度的低折射率材料部分，可以提供一個(gè)具有第二寬度的低折射率材料部分。
[0013]對于每N個(gè)具有第一寬度的低折射率材料部分，可以提供小于N個(gè)的具有第二寬度的低折射率材料部分，其中N是大于等于3的整數(shù)。
[0014]第一寬度可以為約IOOnm至約200nm。
[0015]光柵反射鏡和光波導(dǎo)可以形成在氧化物上硅(SOI)基板的上硅層中。
[0016]多個(gè)低折射率材料部分之間的硅層可以具有相同的寬度。
[0017]混合垂直腔激光器還可以包括第三低折射率層，該第三低折射率層具有比硅的折射率低的折射率，設(shè)置在光柵反射鏡與在II1-V半導(dǎo)體層下面的低折射率層之間，并具有與光柵反射鏡的硅層相同的形狀。低折射率材料部分可以具有由硅層、第三低折射率層和兩個(gè)低折射率層圍繞的柱形。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間；光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到光柵反射鏡的一側(cè)；II1-V半導(dǎo)體層，包括有源層，其設(shè)置在所述兩個(gè)低折射率層中的一個(gè)上；以及上反射鏡，覆蓋II1-V半導(dǎo)體層。光柵反射鏡包括布置成陣列的多個(gè)硅柱。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間；光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到光柵反射鏡的一側(cè)；II1-V半導(dǎo)體層，包括有源層，其設(shè)置在兩個(gè)低折射率層中的一個(gè)上；以及上反射鏡，覆蓋II1-V半導(dǎo)體層。光柵反射鏡包括形成在兩個(gè)低折射率層之間的硅層中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多個(gè)柱狀的低折射率材料部分。多個(gè)低折射率材料部分在第一方向上具有相同的間距，并且具有比硅的折射率低的折射率，且在第一方向上具有至少兩個(gè)寬度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過結(jié)合附圖對實(shí)施方式的以下描述，這些和/或其它方面將變得明顯且更易于理解，在附圖中:
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于光子集成電路(PIC)的混合垂直腔激光器的示意性截面圖；
[0022]圖2是在圖1的混合垂直腔激光器中的低折射率材料層和光波導(dǎo)的示意性平面圖；
[0023]圖3是模擬圖1的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的反射率的曲線圖；
[0024]圖4是模擬圖1的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的耦合效率的曲線圖；
[0025]圖5是根據(jù)圖2的修改實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的一部分的示意性平面圖；
[0026]圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的一部分的示意性平面圖；
[0027]圖7是模擬圖6的光柵反射鏡的反射率的曲線圖；
[0028]圖8是模擬圖6的光柵反射鏡的耦合效率的曲線圖；[0029]圖9是根據(jù)圖6的修改實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的一部分的示意性平面圖；
[0030]圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡的一部分的示意性平面圖；
[0031]圖11是模擬圖10的光柵反射鏡的反射率和耦合效率的曲線圖；以及
[0032]圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]現(xiàn)在將詳細(xì)參照實(shí)施方式，其示例在附圖中示出，其中相同的附圖標(biāo)記始終表示相同的元件。在附圖中，為了清晰，可以夸大層和區(qū)域的尺寸和厚度。在這點(diǎn)上，本實(shí)施方式可以具有不同的形式并且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的描述。將理解，當(dāng)元件被稱為在另一元件“上”或“上方”時(shí)，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居間元件。因此，以下通過參照附圖僅描述了實(shí)施方式來說明本描述的多個(gè)方面。
[0034]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于光子集成電路(PIC)的混合垂直腔激光器100的示意性截面圖，圖2是用于PIC的混合垂直腔激光器100中的光柵反射鏡和光波導(dǎo)的示意性平面圖。
[0035]參照圖1和圖2，用于PIC的混合垂直腔激光器100包括:III_V半導(dǎo)體層150，為共振層；上反射鏡160和光柵反射鏡120，分別設(shè)置在II1-V半導(dǎo)體層150之上和之下；以及光波導(dǎo)130,設(shè)置在光柵反射鏡120的一側(cè)。
[0036]光波導(dǎo)130通過蝕刻娃層114形成,設(shè)置在光柵反射鏡120 —側(cè)且光稱合到光柵反射鏡120的該側(cè),光柵反射鏡120通過蝕刻同一娃層114形成。隨后將描述的光柵反射鏡120和上反射鏡160 —起用作反射層，該反射層使在光柵反射鏡120和上反射鏡160之間產(chǎn)生的激光束垂直共振。
[0037]低折射率(“低η”)層112設(shè)置在光柵反射鏡120和光波導(dǎo)130下面，且具有比硅的折射率低的折射率。低反射率層112可以是硅氧化物(SiO2)層。備選地，低反射率層112可以由錯(cuò)氧化物(ZrO2)、鈦氧化物(TiO2)、鎂氧化物(MgO)、銫氧化物(CeO2)、招氧化物(Α1203)、鉿氧化物、鈮氧化物(NbO)或硅氮化物(Si3N4)形成。低反射率層112在下文被稱為第一絕緣層112。
[0038]基板110設(shè)置在第一絕緣層112下面，且可以由硅形成。
[0039]根據(jù)本實(shí)施方式，可以使用氧化物上硅(SOI)基板102，該SOI基板102由硅基板110、硅氧化物的第一絕緣層112以及覆蓋第一絕緣層112的硅層114構(gòu)成。第一絕緣層112可以具有大于約IOOOnm的厚度。
[0040]其它光學(xué)部件與混合垂直腔激光器100 —起集成到SOI基板102上，從而形成PIC。
[0041]低折射率(“低η”)層140設(shè)置在光柵反射鏡120上并具有比硅的折射率低的折射率。低η層140可以形成為覆蓋整個(gè)光柵反射鏡120以及一部分光波導(dǎo)130。具有低折射率的低η層140用于增加光柵反射鏡120的反射率并且促進(jìn)在光柵反射鏡120和光波導(dǎo)130之間耦合的光沿光波導(dǎo)130的傳播。低折射率層140可以是硅氧化物(SiO2)層。備選地，低折射率層140可以由錯(cuò)氧化物(Zr02)、鈦氧化物(Ti02)、鎂氧化物(MgO)、銫氧化物(Ce02)、鋁氧化物(A1203)、鉿氧化物、鈮氧化物(NbO)或硅氮化物(Si3N4)形成。低η層140可以被稱為第二絕緣層。
[0042]II1-V半導(dǎo)體層150設(shè)置在第二絕緣層140上，并包括順序地形成在第二絕緣層140上的η型II1-V半導(dǎo)體層151、有源層152和ρ型II1-V半導(dǎo)體層153。II1-V半導(dǎo)體層150可以由磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)形成。
[0043]ρ型II1-V半導(dǎo)體層153可以包括具有孔156的電流阻擋層155，其中光穿過孔156。電流阻擋層155可以通過在與電流阻擋層155相應(yīng)的預(yù)定區(qū)域中的質(zhì)子注入、或鋁(Al)的熱氧化形成。
[0044]上反射鏡160設(shè)置在ρ型II1-V半導(dǎo)體層153上，并且朝向下面的光柵反射鏡120反射有源層152中產(chǎn)生的光,使得光在上反射鏡160和光柵反射鏡120之間共振。上反射鏡160可以具有在期望的共振波長λ具有最大反射率的分布式布喇格反射器(DBR)結(jié)構(gòu)。上反射鏡160由具有不同折射率的兩種材料的交替層的疊層形成，其中交替層具有期望共振波長λ的大約四分之一的厚度卿，λ/4)。例如，DBR結(jié)構(gòu)可以由AlxGa(1_x)As和AlyGa(1_y)As (0<x，y< 1，且X古y)的多個(gè)交替的四分之一波長(λ/4)厚的層組成。雖然上反射鏡160具有DBR結(jié)構(gòu)，但是它不限于此。例如，上反射鏡160可以具有與光柵反射鏡120相同的結(jié)構(gòu)。
[0045]上反射鏡160和II1-V半導(dǎo)體層150可以用預(yù)定的雜質(zhì)摻雜，從而允許電流注入。
[0046]用于注入電流的電極，也就是ρ型電極171安裝在上反射鏡160上從而覆蓋上反射鏡160的上表面。ρ型電極171可以由高反射的金屬諸如Al形成。
[0047]η型II1-V半導(dǎo)體層151具有被有源層152暴露的邊緣，η型電極172設(shè)置在η型II1-V半導(dǎo)體層151的該邊緣上。
[0048]一種制造用于PIC的混合垂直腔激光器100的方法包括:形成包括光柵反射鏡120的SOI基板102、形成包括II1-V半導(dǎo)體層150的上結(jié)構(gòu)、形成其中第二絕緣層140設(shè)置在上結(jié)構(gòu)的η型II1-V半導(dǎo)體層151上的第一結(jié)構(gòu)、以及將第一結(jié)構(gòu)接合到SOI基板102上。
[0049]當(dāng)電流通過ρ型電極171和η型電極172注入到II1-V半導(dǎo)體層150中時(shí)，電子和空穴在有源層152中復(fù)合，允許激光束產(chǎn)生。由于電子-空穴復(fù)合而從有源層152發(fā)出的光的強(qiáng)度隨著光在上反射鏡160和光柵反射鏡120之間往復(fù)而增加。當(dāng)光的強(qiáng)度達(dá)到給定強(qiáng)度時(shí)，激光從具有比上反射鏡160的反射率低的反射率的光柵反射鏡120發(fā)出。在一些光沿水平方向通過光波導(dǎo)130傳播到其他光學(xué)元件(未示出)時(shí)，大部分激光被反射到外部。
[0050]光柵反射鏡120包括多個(gè)具有比硅的折射率低的折射率的多個(gè)柱狀低η材料部分121和122。多個(gè)低η材料部分121和122彼此平行地布置。光柵反射鏡120也被稱為高折射率對比光柵(high index contrast grating, HCG)0換言之,光柵反射鏡120在低n材料部分121和122與硅層124之間具有大的折射率差。低η材料部分121和122可以通過蝕刻SOI基板102的上硅層114形成。低η材料部分121和122可以是空氣層，或者可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料諸如硅氧化物填充。
[0051]低η材料部分121和122分別具有第一寬度Wl和第二寬度W2。低η材料部分121和122之間的硅層124具有恒定的寬度W。第二寬度W2比第一寬度Wl大大約IOnm至大約50nm。該寬度差可以根據(jù)激光束的波長以及第一和第二寬度Wl和W2被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。低η材料部分121和122如圖2所示交替地布置。具有第二寬度W2的低η材料部分122用于增加激光束的衍射量，從而增強(qiáng)與光波導(dǎo)130的光耦合效率。
[0052]圖3是模擬用于PIC的混合垂直腔激光器100中的光柵反射鏡120的反射率的曲線圖。光柵反射鏡120被優(yōu)化設(shè)計(jì)為橫磁模式(transverse magnetic mode)。在該模擬中使用的第一和第二絕緣層112和140是硅氧化物層，低η材料部分121和122是空氣層。II1-V半導(dǎo)體層150由InP形成。第一和第二絕緣層112和140分別具有IOOOnm和200nm的高度。低η材料部分121和122具有350nm的高度。低η材料部分121和122的第一和第二寬度Wl和W2分別是170nm和190nm。設(shè)置在低η材料部分121和122之間的硅層124的寬度W被調(diào)整為340nm、350nm和360nm。
[0053]參照圖3，光柵反射鏡120可以被設(shè)計(jì)為在用于光通信的1300nm波長處實(shí)現(xiàn)大于99.8%的高反射率。
[0054]圖4是模擬根據(jù)本實(shí)施方式的光柵反射鏡120的耦合效率的曲線圖。低η材料部分121和122的第一和第二寬度Wl和W2分別是170nm和190nm，硅層124的寬度W是350nm。其它條件與參照圖3描述的相同。圖4還示出了常規(guī)光柵反射鏡的耦合效率的模擬結(jié)果。在常規(guī)光柵反射鏡的模擬中，設(shè)置在低η材料部分之間的硅層具有355nm的寬度，低η材料部分具有ISOnm的寬度。其它條件或尺寸與參照圖3描述的相同。
[0055]參照圖4，曲線Gl和G2分別表示光柵反射鏡120對于一級衍射的反射率以及其對于二級衍射的反射率。曲線G3和G4分別示出常規(guī)光柵反射鏡對于一級衍射的反射率以及其對于二級衍射的反射率。
[0056]如從圖4明顯的，對于二級衍射的反射率比對于一級衍射的反射率對光耦合效率貢獻(xiàn)更多。參照圖4，如由曲線G4所示的，常規(guī)的光柵反射鏡的光耦合效率由于其對于二級衍射的極低反射率而非常低。相反地，根據(jù)本實(shí)施方式的光柵反射鏡120的光耦合效率由于其對于二級衍射的高反射率而增加得超過常規(guī)光柵反射鏡，如由曲線G2所示。低η材料部分122用于增加激光束的衍射量，從而增強(qiáng)與光波導(dǎo)130的光耦合效率。
[0057]因而，根據(jù)本實(shí)施方式的用于PIC的包括光柵反射鏡120的混合垂直腔激光器100提供與光波導(dǎo)130的改善的光耦合效率以及對于光學(xué)互連的降低的功耗。
[0058]圖5是根據(jù)圖2的修改實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡220的一部分的示意性平面圖。因?yàn)槌斯鈻欧瓷溏R之外的剩余結(jié)構(gòu)基本上與混合垂直腔激光器100的結(jié)構(gòu)相同，所以這里將省略其詳細(xì)說明。
[0059]參照圖5，多個(gè)低η材料部分221和222以恒定的間距Pl布置。多個(gè)低η材料部分221和222包括具有第一寬度Wl的低η材料部分221以及具有第二寬度W2的低η材料部分222。第二寬度W2比第一寬度Wl大大約IOnm至大約50nm。
[0060]第一寬度Wl的低η材料部分221與第二寬度W2的低η材料部分222交替地布置。硅層224設(shè)置在低η材料部分221和222之間。低η材料部分221和222用具有比硅的折射率低的折射率的材料諸如空氣或硅氧化物填充。后面將假定低η材料部分221和222為空氣層。
[0061]設(shè)置在第一寬度Wl的低η材料部分221與第二寬度W2的低η材料部分222之間的硅層224具有第三寬度W3，而在第二寬度W2的低η材料部分222與第一寬度Wl的低η材料部分221之間的硅層224具有第四寬度W4。第三寬度W3比第四寬度W4大兩個(gè)相鄰的低η材料部分221和222之間的寬度差(W1-W2)。
[0062]第三寬度W3和第四寬度W4之間的寬度差可以為約IOnm至約50nm。因而,低η材料部分221和222之間的間距Pl保持不變。
[0063]光柵反射鏡220的操作可以從光柵反射鏡120的操作知道，因此省略了光柵反射鏡220的操作。
[0064]圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡320的一部分的示意性平面圖。相同的附圖標(biāo)記表示如圖1所示的相同元件，這里將省略其詳細(xì)說明。
[0065]參照圖6，光柵反射鏡320包括彼此平行布置的多個(gè)低η材料部分321和322。低η材料部分321和322可以通過蝕刻SOI基板(圖1中的102)的上硅層(圖1中的114)而形成。低η材料部分321和322可以是空氣層，或者可以用硅氧化物填充。低η材料部分321和322在下文也被假設(shè)為空氣層。
[0066]多個(gè)低η材料部分321和322包括具有第一寬度Wl的低η材料部分321以及具有第二寬度W2的低η材料部分322。第二寬度W2比第一寬度Wl大大約IOnm至大約50nm。低η材料部分321和322之間以及兩個(gè)低η材料部分321之間的硅層324的寬度與寬度W相同。對于每兩個(gè)具有第一寬度Wl的低η材料部分321，提供一個(gè)具有第二寬度W2的低η材料部分322。具有第二寬度W2的低η材料部分(或空氣層)322用于增加激光束的衍射量，從而增強(qiáng)與光波導(dǎo)330的光耦合效率。
[0067]盡管圖6示出對于每兩個(gè)具有第一寬度Wl的空氣層321提供一個(gè)具有第二寬度W2的空氣層322，但是本發(fā)明不限于此。例如，光柵反射鏡320可以包括多個(gè)空氣層321和322，對于每N個(gè)具有第一寬度Wl的空氣層321提供小于N數(shù)量的具有第二寬度W2的空氣層322 (N是大于或等于3的整數(shù))。
[0068]圖7是模擬圖6的光柵反射鏡320的反射率的曲線圖。光柵反射鏡320優(yōu)選地設(shè)計(jì)為橫磁模式。在該模擬中使用的第一和第二絕緣層(圖1中的112和140)是硅氧化物層，低η材料部分321和322是空氣層。II1-V半導(dǎo)體層I (圖1中的150)由InP形成。第一絕緣層120、低η材料部分322和第二絕緣層140分別具有1000nm、350nm和200nm的高度。低η材料部分(空氣層)321和和322的第一和第二寬度Wl和W2分別是170nm和190nm。設(shè)置在低η材料部分321和322之間的硅層324的寬度W被分別調(diào)整為340nm、350nm和360nmo
[0069]參照圖7，根據(jù)本實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡320可以被設(shè)計(jì)為在用于光通信的1300nm波長處實(shí)現(xiàn)大于99.8%的高反射率。
[0070]圖8是模擬根據(jù)本實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡320的耦合效率的曲線圖。低η材料部分321和322之間的硅層324的寬度W、第一寬度Wl和第二寬度W2分別被調(diào)整為350nm、170nm和190nm。其它條件與參照圖7的模擬中使用的那些相同。圖8還示出了常規(guī)光柵反射鏡的耦合效率的模擬結(jié)果。在常規(guī)光柵反射鏡的模擬中，設(shè)置在低η材料部分(空氣層)之間的硅層具有355nm的寬度，并且低η材料部分具有ISOnm的寬度。其它條件或尺寸與參照圖7描述的相同。[0071]參照圖8，曲線Gl和G2分別表示光柵反射鏡320對于一級衍射的反射率以及其對于二級衍射的反射率。曲線G3和G4分別示出常規(guī)光柵反射鏡對于一級衍射的反射率以及其對于二級衍射的反射率。
[0072]如從圖8而顯然的,對于二級衍射的反射率比對于一級衍射的反射率對光耦合效率貢獻(xiàn)更多。參照圖8，如由曲線G4所示的，常規(guī)的光柵反射鏡的光耦合效率由于其對于二級衍射的極低反射率而非常低。相反地，根據(jù)本實(shí)施方式的光柵反射鏡320的光耦合效率由于其對于二級衍射的高反射率而增加得超過常規(guī)光柵反射鏡，如由曲線G2所示。具有第二寬度W2的低η材料部分322用于增加激光束的衍射量，從而增強(qiáng)與光波導(dǎo)330的光耦合效率。
[0073]因而，根據(jù)本實(shí)施方式的用于PIC的包括光柵反射鏡320的混合垂直腔激光器100提供與光波導(dǎo)330的改善的光耦合效率以及對于光學(xué)互連的降低的功耗。
[0074]圖9是根據(jù)圖6中的結(jié)構(gòu)的修改實(shí)施方式的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡420的一部分的示意性平面圖。
[0075]參照圖9，光柵反射鏡420的多個(gè)低η材料部分421和422以恒定的間距P布置。多個(gè)低η材料部分421和423包括具有第一寬度Wl的低η材料部分421以及具有第二寬度W2的低η材料部分422。第二寬度W2比第一寬度Wl大大約IOnm至大約50nm。
[0076]對于每兩個(gè)具有第一寬度Wl的低η材料部分421，提供一個(gè)具有第二寬度W2的低η材料部分422。低η材料部分421和422可以是空氣層，或可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料諸如硅氧化物填充。低η材料部分421和422在后面被假定為空氣層。
[0077]在具有第一寬度Wl的低η材料部分421右側(cè)的硅層424具有第三寬度W3，而在具有第二寬度W2的低η材料部分422的右側(cè)的硅層424具有第四寬度W4。第三寬度W3比第四寬度W4大第一和第二寬度Wl和W2之間的寬度差(W1-W2)。該寬度差可以為約IOnm至50nmo
[0078]光柵反射鏡420的操作實(shí)質(zhì)上與光柵反射鏡320的操作相同，省略了光柵反射鏡420的操作。
[0079]對于另一示例，對于每N個(gè)具有第一寬度Wl的層421，可以布置小于N個(gè)的具有第二寬度W2的低η材料部分422 (N是大于等于3的整數(shù))。這里將省略其詳細(xì)描述。
[0080]圖10是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的一部分光柵反射鏡520的示意性平面圖。相同的附圖標(biāo)記表示圖1所示的相同元件，這里將省略其詳細(xì)描述。
[0081]參照圖10，光柵反射鏡520包括彼此平行布置從而形成陣列的多個(gè)硅柱522。硅柱522可以通過蝕刻SOI基板(圖1中的102)的上硅層(圖1中的114)而形成。硅柱522之間的空間可以用空氣層填充，或者可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料(諸如硅氧化物)填充。硅柱522之間的橫向?qū)挾萕l可以為約210nm，而硅柱522之間的縱向?qū)挾萕2可以為約lOOnm。
[0082]硅柱522可以在X和Y兩個(gè)方向上彼此平行地布置且彼此間隔開預(yù)定距離。
[0083]圖11是模擬圖10的光柵反射鏡520的反射率和耦合效率的曲線圖。光柵反射鏡520被優(yōu)化設(shè)計(jì)為橫磁模式。在該模擬中使用的第一和第二絕緣層(圖1中的112和140)是硅氧化物層，并且低η材料部分524是空氣層。II1-V半導(dǎo)體層I (圖1中的150)由InP形成。第一絕緣層(圖1中的120)、低η材料部分524和第二絕緣層140分別具有l(wèi)OOOnm、355nm和200nm的高度。硅柱522之間的橫向?qū)挾?圖10中的Wl)和縱向?qū)挾?圖10中的W2)分別為約210nm和lOOnm。每個(gè)硅柱522的寬度和長度可以分別為約300nm和1200nm。
[0084]參照圖11，根據(jù)本實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光柵反射鏡520可以被設(shè)計(jì)為在用于光通信的1300nm波長處實(shí)現(xiàn)大于99%的反射率。
[0085]如從圖11明顯的，耦合效率在1300nm波長處為約10dB，這意味著大量光被衍射用于率禹合。
[0086]圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器600的示意性截面圖。相同的附圖標(biāo)記表示如圖1所示的相同元件，這里將省略其詳細(xì)說明。
[0087]參照圖12，第三絕緣層642設(shè)置在光柵反射鏡120的硅層124上并且可具有光柵反射鏡120的形狀。例如，在SOI基板120上形成絕緣層之后，絕緣層和硅層114可以被一起蝕刻以形成光柵反射鏡120和第三絕緣層642。所得的結(jié)構(gòu)在下文被稱為第一結(jié)構(gòu)。
[0088]第三絕緣層642可以由具有約300nm至約350nm的高度的娃氧化物形成。
[0089]接著形成包括半導(dǎo)體層150以及半導(dǎo)體150上的疊層的上結(jié)構(gòu)，第四絕緣層640設(shè)置在η型II1-V半導(dǎo)體層151上，其中第四絕緣層640具有約20nm至50nm的高度并也可以由硅氧化物形成。所得的結(jié)構(gòu)被稱為第二結(jié)構(gòu)。
[0090]包括光柵反射鏡120的第一結(jié)構(gòu)被接合到第二結(jié)構(gòu)上使得第四絕緣層640覆蓋第三絕緣層642,從而完成用于PIC的混合垂直腔激光器600。
[0091]在光柵反射鏡120上的第三和第四絕緣層642和640的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到圖5、圖
6、圖9和圖10所示的結(jié)構(gòu)，這里將省略其詳細(xì)說明。
[0092]如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器，增加了被硅光柵反射鏡二級衍射的激光束的量并改善了到設(shè)置在光柵反射鏡一側(cè)的硅光波導(dǎo)中的光耦合效率。因而，減小了用于光學(xué)互連的功耗。
[0093]雖然已經(jīng)具體示出和描述了示例實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。本發(fā)明的范圍不是由本發(fā)明的具體描述限定而是由權(quán)利要求書限定，在權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的所有差異將被理解為被包括在本發(fā)明中。
[0094]本申請要求于2012年10月10日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請N0.10-2012-0112655的權(quán)益，其公開內(nèi)容通過引用整體結(jié)合于此。
【權(quán)利要求】
1.一種用于光子集成電路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間； 光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到所述光柵反射鏡的一側(cè)； 包括有源層的II1-V半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述兩個(gè)低折射率層中的一個(gè)上；以及 上反射鏡，覆蓋所述II1-V半導(dǎo)體層， 其中所述光柵反射鏡包括形成在所述兩個(gè)低折射率層之間的硅層中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多個(gè)柱狀的低折射率材料部分，以及 所述多個(gè)低折射率材料部分具有比硅的折射率低的折射率，且在所述第一方向上具有至少兩個(gè)寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述低折射率材料部分是空氣層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述至少兩個(gè)寬度包括第一寬度和第二寬度，所述第二寬度比所述第一寬度大IOnm至50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其中具有所述第一寬度的低折射率材料部分與具有所述第二寬度的低折射率材料部分交替地布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其中對于至少每兩個(gè)具有所述第一寬度的低折射率材料部分，提供一個(gè)具有所述第二寬度的低折射率材料部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其中對于每N個(gè)具有所述第一寬度的低折射率材料部分，提供小于N個(gè)的具有所述第二寬度的低折射率材料部分，其中N是大于或等于3的整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其中所述第一寬度為IOOnm至200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述光柵反射鏡和所述光波導(dǎo)形成在氧化物上娃基板的上娃層中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述多個(gè)低折射率材料部分之間的所述硅層具有恒定的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，還包括第三低折射率層，該第三低折射率層具有比硅的折射率低的折射率，設(shè)置在所述光柵反射鏡與在所述II1-V半導(dǎo)體層下面的所述低折射率層之間并具有與所述光柵反射鏡的所述硅層相同的形狀，以及 其中所述低折射率材料部分具有由所述硅層、所述第三低折射率層和所述兩個(gè)低折射率層圍繞的柱形。
11.一種用于光子集成電路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間； 光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到所述光柵反射鏡的一側(cè)； 包括有源層的II1-V半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述兩個(gè)低折射率層中的一個(gè)上；以及 上反射鏡，覆蓋所述II1-V半導(dǎo)體層， 其中所述光柵反射鏡包括布置成陣列的多個(gè)硅柱。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述多個(gè)硅柱的每個(gè)沿與所述第一方向垂直的第二方向伸長。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述光柵反射鏡和所述光波導(dǎo)形成在氧化物上硅基板的上硅層中。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光器，還包括第三低折射率層，該第三低折射率層具有比硅的折射率低的折射率，設(shè)置在所述光柵反射鏡的所述多個(gè)硅柱與在所述II1-V半導(dǎo)體層下面的所述低折射率層之間，并具有與所述硅柱相同的形狀。
15.一種用于光子集成電路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光柵反射鏡，在具有比硅的折射率低的折射率的兩個(gè)低折射率層之間； 光波導(dǎo)，沿第一方向光耦合到所述光柵反射鏡的一側(cè)； 包括有源層的πι-v半導(dǎo)體層，設(shè)置在所述兩個(gè)低折射率層中的一個(gè)上；以及 上反射鏡，覆蓋所述πι-v半導(dǎo)體層， 其中所述光柵反射鏡包括形成在所述兩個(gè)低折射率層之間的硅層中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多個(gè)柱狀的低折射率材料部分， 所述多個(gè)低折射率材料部分在所述第一方向上具有相同的間距，并且具有比硅的折射率低的折射率，且在所述第一方向上具有至少兩個(gè)寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光器，其中所述多個(gè)低折射率材料部分的每個(gè)是空氣層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光器，其中所述至少兩個(gè)寬度包括第一寬度和第二寬度，所述第二寬度比所述第一寬度長IOnm至50nm。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的激光器，其中具有所述第一寬度的低折射率材料部分與具有所述第二寬度的低折射率材`料部分交替地布置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的激光器，其中對于至少每兩個(gè)具有所述第一寬度的低折射率材料部分，提供一個(gè)具有所述第二寬度的低折射率材料部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的激光器，其中對于每N個(gè)具有所述第一寬度的低折射率材料部分，提供小于N個(gè)的具有所述第二寬度的低折射率材料部分，其中N是大于或等于3的整數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的激光器，其中所述第一寬度為IOOnm至200nm。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光器，其中所述光柵反射鏡和所述光波導(dǎo)形成在氧化物上硅基板的上硅層中。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光器，還包括第三低折射率層，該第三低折射率層具有比硅的折射率低的折射率，設(shè)置在所述光柵反射鏡與在所述II1-V半導(dǎo)體層下面的所述低折射率層之間并具有與所述光柵反射鏡的所述硅層相同的形狀，以及 其中所述低折射率材料部分具有由所述硅層、所述第三低折射率層和所述兩個(gè)低折射率層圍繞的柱形。
【文檔編號】H01S5/183GK103730832SQ201310240274
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月10日
【發(fā)明者】金澤, I.施徹巴特科 申請人:三星電子株式會(huì)社