專利名稱：電泵浦的半導體消逝激光器的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及光學器件，并且更具體地，本發明涉及光互聯和光通信。
背景技術：
隨著互聯網數據業務增長率正趕上電話業務，對于快速和有效的基于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) 以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/插復用器和激光器。激光器是通過激發發射發光的公知器件，產生頻譜范圍從紅外到紫外的相干光束，并且可以用于廣闊的陣列應用中。例如，在光通信或網絡應用中，半導體激光器可以用于產生光或光束，可以在該光或光束上編碼和傳輸數據或其它信息。用于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)以太網系統中的關鍵部件。當前，大多數光發送器基于與外部調制器組合的多個固定波長激光器或某些情況下直接調制的激光器。在激光器產生的光被調制后，利用外部復用器對其進行復用并然后輸送給光纖網絡，在此會由光開關對被調制的光進行放大或引導， 或既進行放大又進行引導。分開的激光器和調制器用于每個傳輸通道，因為激光器典型地產生固定的波長。然而，生產激光器和相關部件的成本非常高，并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。
通過范例方式示例本發明并且本發明不限于附圖。圖IA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激光器的一個范例的示例；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激光器的一個范例的示例；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激光器的一個范例的側橫截面視圖；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激光器的一個范例的橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；圖10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激光器的一個范例的另一橫截面視圖；圖11是總體示例一個范例系統的圖示，該范例系統包括具有集成的半導體調制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激光器。
具體實施例方式公開了用于提供電泵浦的混合半導體消逝激光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，對于本領域技術人員，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征、 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征、結構或特性。另外，應當理解，同此提供的附圖是用于對本領域技術人員的解釋目的，并且附圖不必按比例繪制。為示例，圖IA和IB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激光器101的范例的示例。如描繪的范例中所示，激光器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是硅的無源層，諸如例如是絕緣體上硅(SOI)晶片的硅層。在示例的范例中，光束119 是激光輸出，該激光輸出的激光譜寬度主要由激光器101的增益和腔反射譜寬度決定。如所示，激光器101包括置于單層半導體材料103中的光波導105。在示例的范例中，根據本發明的教導，光波導105可以是硅脊形波導、平板波導或置于單層半導體材料103中的其它合適類型的光波導。在圖IA中示例的范例中，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。在多個范例中，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的腔面上的反射涂層、或在光波導105中限定光腔的其它合適工藝。在另一范例中，諸如圖IB中示例的范例，根據本發明的教導，激光器101包括置于半導體材料103中的環形光波導120，并且光耦合至光波導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IA中所示的范例中，不包括環形諧振器120。在其中光腔包括環形諧振器120的圖IB中所示的范例中，不包括所包括的反射器107和109。如描繪的范例中所示，諸如增益介質材料123的有源半導體材料跨光波導105置于單層半導體材料103之上并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于電流注入或電泵浦而發光的材料。因此，在示例的范例中，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。在另一范例中，可以有多于一個的光波導105置于單層半導體材料103中，以形成多個激光器。在一個范例中，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hP、 AlGaInAs,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)區增益芯片，其是倒裝的芯片或晶片，該芯片或晶片是跨 SOI晶片的硅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激光器，沿光波導105限定增益-介質半導體材料界面。因為對于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激光器的成本的一小部分提供和制造了一個或多個激光器101，諸如例如垂直腔表面發射激光器(VCSEL)等。在圖IA和IB中示例的范例中，根據本發明的教導，電泵浦電路161耦合到增益介質材料123，以在激光器101的操作期間電泵浦增益介質。在一個范例中，電泵浦電路161 可以直接集成在單層半導體材料103內。例如，在一個范例中，單層半導體材料103是硅， 且電泵浦電路161可以直接集成在硅中。在另一范例中，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，在一個范例中，電泵浦電路161如圖IA和IB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限定電流注入路徑并且電流路徑與光腔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，響應于增益介質材料123的電泵浦、響應于沿與光束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，利用如公開的激光器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。在另一范例中，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IA和IB中所示的單層半導體材料103中的光波導。在該范例中，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之間的消逝耦在一個范例中，具有特定波長的光在圖IA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。在另一范例中，具有特定波長的光在圖IB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。在多個范例中，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范例激光器201的側橫截面視圖。在一個范例中，激光器201可以與圖IA或IB中示例的激光器101對應。如圖2中所示，激光器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2 置于單半導體層層 203和基底層231之間。在一個范例中，單半導體層203和基底層231由無源硅制成。如所示，光波導205置于單半導體層203中，光束219通過單半導體層203引導。在圖2中示例的范例中，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，在一個范例中，反射器207和209是布拉格反射器。類似于圖IA或IB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”并鄰接光波導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，該界面平行于沿光波導205的光束的傳播方向。在一個范例中，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3102層或其它合適的鍵合界面材料。在一個范例中，增益介質材料223是有源III-V增益介質，并且在光波導205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。取決于光波導205的波導尺寸，光束219的光模式的部分在III-V增益介質材料223里面，且光束219的光模式的部分在光波導205 里面。在一個范例中，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于無源硅波導的光柵的范例中，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。在示例的范例中，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。在一個范例中，激光器201是寬帶激光器并且反射器207和209因此不必是用于光腔227的窄帶反射器或布拉格光柵，根據本發明，這大大降低了制造復雜性。 在一個范例中，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%。在一個范例中，激光器201操作在至少80°C，特征溫度為63K。圖3是總體示出電泵浦的混合半導體消逝激光器301的一個范例的橫截面視圖， 根據本發明的教導，其可以與以上結合圖1A、IB或2所示例和描述的激光器中的一個對應。 如所示，包括SOI晶片，其具有置于單層半導體材料303和半導體基底331之間的掩埋氧化物層329。在另一范例中，根據本發明的教導，層3 可以包括不同的材料，諸如是掩埋氮化物層或硅氧氮化物層或其它合適類型的材料。在示例的范例中，硅脊形波導305置于單層半導體材料303中。繼續針對圖3所示的范例，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，取決于光波導305的尺寸，光模式319的部分在光波導305的脊形區里面，且光模式319的部分在增益介質材料 323里面。如圖3中所示，增益介質材料323的一個范例是III-V半導體材料，其包括P型層 325、有源層326以及鍵合到N型硅單層半導體材料303的N型III-V層328。在一個范例中，增益介質材料323包括InP或另外的合適的III-V材料。在一個范例中，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的范例中所示。 在一個范例中，有源層3 包括MQW材料。在示例的范例中，根據本發明的教導，增益介質材料323鍵合到光波導305的脊形區并與其鄰接。如所示，接觸部341也耦合到增益介質材料323。在圖3中所示的范例中，根據本發明的教導，示例了導電鍵合設計，其中經由硅光波導305執行電流注入，以操作和電泵浦激光器301。同樣，硅脊形波導305包括η型摻雜。 在示例的范例中，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并穿過N型摻雜的硅半導體層303注入到有源層326，且空穴經由接觸部341并穿過P型層325注入到有源層326。在圖3中所示的范例中，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，并與光模式319交疊或至少部分交疊，如圖3的范例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應于增益介質材料323的電泵浦、響應于沿與光束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，由于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，在硅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，因為激光器和無源波導都可以使用相同的互補金屬氧化物半導體(CM0Q兼容的SOI刻蝕來限定。還應當注意，在圖3中示例的范例中，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并穿過無源半導體材料303來限定電流注入路徑的部分。在另一范例中，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，并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激光器 401的另一范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的激光器401可以與以上結合圖1A、1B或2示例和描述的激光器中的一個對應。如所示，包括SOI晶片，其具有置于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。在示例的范例中，硅脊形波導405置于單層半導體材料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，取決于光波導405的尺寸，光模式419的部分在光波導405的脊形區的里面且光模式419的部分在增益介質材料423的里面。在圖4中示出的范例中，增益介質材料423的一個范例是III-V半導體材料，其包括P型層425、有源層似6和鍵合到N型硅單層半導體材料403的N型III-V層428。在一個范例中，增益介質材料423包括InP或別的合適的III-V材料。在一個范例中，P型層 425包括P型四元層428、P型蓋層430和P型SCH層432。在一個范例中，有源層似6包括 MQW材料。如示例的范例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料423鍵合到光波導405 的脊形區并與其鄰接。如所示，接觸部441也耦合到增益介質材料423。在圖4所示的范例中，與圖3的激光器相比，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，而不是光波導305的條形區的外部部分。同樣，圖4所示例的范例示出了電子經由接觸部443和445穿過N型III-V層似8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，并且與光模式419交疊或至少部分地交疊，如圖4的范例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應于增益介質材料423的電泵浦、響應于沿與光束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示例的范例中，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，并且因此保持在增益介質材料423內。應當注意，在圖3和4示例的范例中，光波導305和405均示例為脊形波導。在另一范例中，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，在另一范例中，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激光器501的另一范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的激光器501可以與以上結合圖1A、1B或2示例和描述的激光器中的一個對應。如描繪的范例中所示，包括SOI晶片，其具有置于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。在示例的范例中，硅平板波導505置于單層半導體材料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，取決于光波導505的尺寸，光模式 519的部分在光波導505里面且光模式519的部分在增益介質材料523里面。在圖5中示出的范例中，增益介質材料523的一個范例是III-V半導體材料，其包括P型層525、有源層5 和鍵合到N型硅單層半導體材料503的N型III-V層528。在一個范例中，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。如示例的范例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料523鍵合到光波導505并與其鄰接。如所示，接觸部541也耦合到增益介質材料523。與圖4中所示的范例接觸部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M5穿過N型III-V層5 注入到有源層526，而空穴經由接觸部Ml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，并且與光模式519交疊或至少部分地交疊，如圖5的范例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應于增益介質材料523的電泵浦、響應于沿與光束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中示例的范例中，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，并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激光器601的一個范例的另一橫截面視圖。能夠注意到，激光器601與圖4的范例激光器401具有相似之處。 例如，圖6中示例的范例包括SOI晶片，其具有置于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。在示例的范例中，硅脊形波導605置于單層半導體材料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。消逝耦合 633在增益介質材料623和光波導605之間，取決于光波導605的尺寸，光模式619的部分在光波導605的脊形區里面，且光模式619的部分在增益介質材料623里面。
在示例的范例中，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6 和鍵合到N型硅單層半導體材料603的N型III-V層628。在一個范例中，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。如示例的范例中所示，根據本發明的教導，增益介質材料623鍵合到光波導605并與其鄰接。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示例的范例示出了電子經由接觸部643和645穿過N型III-V層6 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6 限定在接觸部641、643和645之間，并且與光模式619交疊或至少部分地交疊，如圖6的范例中所示。這樣，根據本發明的教導，響應于增益介質材料623的電泵浦、響應于沿與光束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。激光器601和激光器401之間的一個差別是激光器601的一個范例還包括限制區 634和636，如圖6中所示。在一個范例中，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，以有助于將來自接觸部641的注入電流限制或聚焦于與光模式619交疊或至少部分交疊的有源層6 的部分。在一個具有限制區634和636 的范例中，來自接觸部641的注入電流往往側向擴展，這增加了損耗并降低了激光器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4 并與光模式619交疊。在圖6中示例的范例中，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。在其它范例中，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是示出另一激光器701的范例的示例，根據本發明的教導，其包擴用于垂直限制注入電流的限制區。在一個范例中，激光器701與圖6的激光器601具有許多相似之處， 并且類似的元件相應地在圖7中類似地編號。如圖7的范例中所示，根據本發明的教導，激光器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，以有助于將來自接觸部641的注入電流垂直限制或聚焦于與光模式619交疊或至少部分交疊的有源層626的部分。在一個范例中，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。在一個范例中，根據本發明的教導，半絕緣或絕緣材料，諸如S^2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。在另一范例中，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并然后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并變得透明。然后，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是示出另一激光器801的范例的示例，根據本發明的教導，其也包括用于垂直限制注入電流的限制區634和636。在一個范例中，激光器801與圖6的激光器601具有許多相似之處，并且類似的元件相應地在圖8中類似地編號。如圖8的范例中所示，與例如圖 6的激光器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基本上更大并具有到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擬6中時提供改善的性能。圖9是示出另一激光器901的范例的示例，根據本發明的教導，其也包括用于垂直限制注入電流的限制區734和736。在一個范例中，激光器901與圖7的激光器701具有許多相似之處，并且類似的元件相應地在圖9中類似地編號。如圖9的范例中所示，與例如圖 7的激光器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基本上更大并具有到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擬6中時提供改善的性能。圖10是示出另一激光器1001的范例的示例，根據本發明的教導，其也包括用于垂直限制注入電流的限制區734和736。在一個范例中，激光器1001與圖9的激光器901具有許多相似之處，并且類似的元件相應地在圖10中類似地編號。如圖10的范例中所示，與例如圖9的激光器901相比，激光器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的激光器901中所示的直接耦合到N型III-V層6 不一樣，激光器 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是范例光學系統1151的示例，根據本發明的教導，該范例光學系統包括集成的半導體調制器多波長激光器，該激光器具有電泵浦的混合半導體消逝激光器101的陣列，電泵浦的混合半導體消逝激光器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，激光器101的陣列中的每個范例激光器可以與先前所述的電泵浦的混合激光器的一個或多個類似。在示例的范例中，如圖11中示例的單半導體層103是光芯片，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，以制造分別在多個光波導105A、105B. . . 105N 中產生多個光束119A、119B. . . 119N的寬帶激光器陣列。根據本發明的教導，對多個光束 119A、119B. .. 119N進行調制，并且然后，多個光束119A、119B. . . 119N的選擇的波長然后在復用器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。 在一個范例中，根據本發明的教導，集成的半導體調制器多波長激光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lTb/s的速度傳輸數據。例如，在包括在集成的半導體調制器多波長激光器中的光調制器113A、113B. . . 113N操作在40(ib/S的范例中，集成的半導體調制器多波長激光器的總容量將為NX40(ib/S，其中N是基于波導的激光源的總數。在一個范例中，多個光波導105A、105B... 105N在單層半導體材料103中以約 50-100 μ m間隔開。對應地，在一個范例中，根據本發明的教導，可以以小于4mm的半導體材料103的塊從集成的半導體調制器多波長激光器傳輸整個總線的光數據。圖11還示出了在光學系統1151的范例中，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，在一個示例的范例中，根據本發明的教導，單半導體層103是在小的形式因子(form factor)內的超高容量發送器-接收器。在示例的范例中，應當注意，外部光接收器1157和外部光發送器1159 示例為存在于相同芯片1161上。在另一范例中，應當理解，外部光接收器1157和外部光發送器1159可以存在于分開的芯片上。在示例的范例中，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1119A、1119B. . . 1119N。在一個范例中，由解復用器 1117根據多個光束1119々、11198. · · 1119N各自的波長對多個光束1119A、1119B. · · 1119N進行分束，并且然后通過置于單層半導體材料103中的多個光波導1105A、1105B. . . 1105N導引多個光束 1119AU119B. · · 1119N。如示例的范例中所示，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1119AU119B. · · 1119N的各個光束。具體地，在一個范例中，光探測器1163A、1163B. .. 1163N的陣列光耦合到多個波導1105A、 1105B. · · 1105N。在一個范例中，光探測器1163AU163B. · · 1163N的陣列包括SiGe光探測器等，以探測多個光束1119AU119B. · · 1119N。如描繪的范例中所示，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。在一個范例中，單條半導體材料1123包括III-V半導體材料，以制造光耦合到多個光波導1105A、1105B. . . 1105N的III-V光探測器。在一個范例中，根據本發明的教導，可以使用與用于而跨多個波導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鍵合到單層半導體材料103。如所示，使SiGe和基于III-V的光探測器光耦合到多個光波導1105A、 1105B. .. 1105N，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中示例的范例中，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，在一個范例中，單層半導體材料103是硅，而控制電路 1161可以直接集成在硅中。在一個范例中，根據本發明的教導，可以電耦合控制電路1161， 以控制、監控和/或電泵浦多波長激光器陣列101中的任何一個或多個激光器、多個功率監控器、多個光調制器、光探測器的陣列或置于單層半導體材料103中的其它器件或結構。在前述詳細描述中，參照其具體范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范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，包括置于硅中的光波導；置于所述光波導之上的包括N-III-V層的增益介質材料，在所述光波導和所述增益介質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增益介質材料均交疊；以及整個限定在所述增益介質材料內的電流注入路徑，并且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應于所述增益介質材料的電泵浦、響應于沿所述電流注入路徑的電流注入而產生光。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述增益介質材料還包括形成于所述N-III-V層上的有源層；形成于所述有源層上的P層。
3.如權利要求2所述的裝置，其中，所述有源層包括與所述光模式交疊的多量子阱 (MQff)區。
4.如權利要求2所述的裝置，還包括位于所述N-III-V層上的接觸部對以及位于所述 P層頂部的接觸部。
5.如權利要求4所述的裝置，其中，所述電流注入路徑在所述N-III-V層內。
6.如權利要求1所述的裝置，其中，所述N-III-V層鍵合到所述硅，在所述光波導和所述增益介質材料之間形成鍵合界面。
7.如權利要求1所述的裝置，還包括在所述增益介質材料的相對的側向側上限定的電流注入限制區，以有助于限制所述電流注入穿過所述增益介質材料而與所述光模式交疊。
8.如權利要求7所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括所述增益介質材料的質子注入區。
9.如權利要求7所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括置于所述增益介質材料的所述相對的側向側上的至少半絕緣的材料。
10.一種方法，包括利用置于硅中的光波導引導光模式；使通過所述光波導引導的所述光模式與所述光波導和消逝地耦合到所述光波導的增益介質材料均交疊，所述增益介質材料包括N-III-V層和形成于所述N-III-V層之上的有源層；通過注入穿過所述有源層并穿過所述光模式的電流來電泵浦所述增益介質材料，其中，所述電流的注入路徑整個限定在所述增益介質材料內；以及響應于所注入的電流，在所述有源半導體材料中產生光。
11.如權利要求10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。
12.如權利要求10所述的方法，還包括在包含所述光波導的光腔內激射光。
13.如權利要求10所述的方法，其中，所述增益介質材料還包括形成于所述有源層之上的P層。
14.如權利要求13所述的方法，其中，注入所述電流包括通過位于所述N-III-V層上的接觸部對以及位于所述P層頂部的接觸部來注入所述電流。
15.如權利要求14所述的方法，其中，所述電流注入路徑在所述N-III-V層內。
16.如權利要求10所述的方法，其中，使通過所述光波導引導的所述光模式與所述光波導和增益介質材料均交疊包括將所述N-III-V層鍵合到所述硅，在所述光波導和所述增益介質材料之間形成鍵合界面。
17.一種系統，包括激光器，其包含置于硅中的光波導；置于所述光波導之上的包括N-III-V層的增益介質材料，在所述光波導和所述增益介質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增益介質材料均交疊；以及整個限定在所述有源半導體材料內的電流注入路徑，并且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應于所述有源半導體材料的電泵浦、響應于沿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，用于接收由所述激光器產生的光；以及光纖，所述激光器產生的光被通過所述光纖從所述激光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制器，用于調制由所述激光器產生的光。
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，所述增益介質材料還包括形成于所述N-III-V層上的有源層；形成于所述有源層上的P層。
21.如權利要求20所述的系統，還包括位于所述N-III-V層上的接觸部對以及位于所述P層頂部的接觸部。
22.如權利要求21所述的系統，其中，所述電流注入路徑在所述N-III-V層內。
23.如權利要求20所述的系統，其中，所述N-III-V層鍵合到所述硅，在所述光波導和所述增益介質材料之間形成鍵合界面。
24.如權利要求20所述的系統，還包括在所述增益介質材料的相對的側向側上限定的電流注入限制區，以有助于限制所述電流注入穿過所述增益介質材料而與所述光模式交疊。
25.如權利要求20所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括所述增益介質材料的質子注入區。
26.如權利要求20所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括置于所述增益介質材料的所述相對的側向側上的至少半絕緣的材料。
27.一種裝置，包括置于絕緣體上硅(SOI)晶片的單個硅層中的光波導；置于所述單個硅層的表面上的在所述光波導之上的包括N-III-V層的增益介質材料， 在所述光波導和所述增益介質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增益介質材料均交疊；以及整個限定在所述增益介質材料內的電流注入路徑，并且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應于所述增益介質材料的電泵浦、響應于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。
28.如權利要求27所述的裝置，其中，所述增益介質材料還包括形成于所述N-III-V層上的有源層；形成于所述有源層上的P層。
29.如權利要求觀所述的裝置，其中，所述有源層包括與所述光模式交疊的多量子阱 (MQff)區。
30.如權利要求28所述的裝置，還包括位于所述N-III-V層上的接觸部對以及位于所述P層頂部的接觸部。
31.如權利要求30所述的裝置，其中，所述電流注入路徑在所述N-III-V層內。
32.如權利要求27所述的裝置，其中，所述N-III-V層鍵合到所述單個硅層，在所述光波導和所述增益介質材料之間形成鍵合界面。
33.如權利要求27所述的裝置，還包括在所述增益介質材料的相對的側向側上限定的電流注入限制區，以有助于限制所述電流注入穿過所述增益介質材料而與所述光模式交疊。
34.如權利要求27所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括所述增益介質材料的質子注入區。
35.如權利要求27所述的裝置，其中，所述電流注入限制區包括置于所述增益介質材料的所述相對的側向側上的至少半絕緣的材料。
全文摘要
一種電泵浦混合消逝激光器的裝置和方法。例如，裝置包括置于硅中的光波導。有源半導體材料置于所述光波導上，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，并且所述電流注入路徑至少部分地與所述光模式交疊，使得響應于所述有源半導體材料的電泵浦、響應于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H01S5/042GK102306901SQ20111023433
公開日2012年1月4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:加利福尼亞大學董事會, 英特爾公司