CN102306901A - 电泵浦的半导体消逝激光器 - Google Patents

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O·科亨
A·W·丰
R·琼斯
M·J·帕尼恰
H·朴
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Abstract

一种电泵浦混合消逝激光器的装置和方法。例如，装置包括置于硅中的光波导。有源半导体材料置于所述光波导上，在所述光波导和所述有源半导体材料之间限定消逝耦合界面，使得由所述光波导引导的光模式与所述光波导和所述有源半导体材料均交叠。穿过所述有源半导体材料而限定的电流注入路径，并且所述电流注入路径至少部分地与所述光模式交叠，使得响应于所述有源半导体材料的电泵浦、响应于沿与所述光模式至少部分交叠的所述电流注入路径的电流注入而产生光。

Description

电泵浦的半导体消逝激光器
本申请是申请日为2007年6月25日，发明名称为“电泵浦的半导体消逝激光器”，申请号为200780019542.1的发明专利申请的分案申请。
关于联邦资助的研发的声明
本发明是在国防部给予的W911NF-05-1-0175号合同的政府资助下完成的。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明总体涉及光学器件，并且更具体地，本发明涉及光互联和光通信。
背景技术
随着互联网数据业务增长率正赶上电话业务，对于快速和有效的基于光的技术的需求日益增长，推动了对光纤光通信的需求。在密集波分复用(DWDM)系统和吉比特(GB)以太网系统中在相同光纤上进行的多光通道传输提供了简单的方式来使用由光纤光学器件提供的空前的容量(信号带宽)。系统中通常使用的光学部件包括：波分复用(WDM)发送器和接收器，诸如衍射光栅、薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅的光学滤光器，光分/插复用器和激光器。
激光器是通过激发发射发光的公知器件，产生频谱范围从红外到紫外的相干光束，并且可以用于广阔的阵列应用中。例如，在光通信或网络应用中，半导体激光器可以用于产生光或光束，可以在该光或光束上编码和传输数据或其它信息。
用于光通信中的另外的器件包括光发送器，其是宽带DWDM网络系统和吉比特(GB)以太网系统中的关键部件。当前，大多数光发送器基于与外部调制器组合的多个固定波长激光器或某些情况下直接调制的激光器。在激光器产生的光被调制后，利用外部复用器对其进行复用并然后输送给光纤网络，在此会由光开关对被调制的光进行放大或引导，或既进行放大又进行引导。分开的激光器和调制器用于每个传输通道，因为激光器典型地产生固定的波长。然而，生产激光器和相关部件的成本非常高，并且对要传输的每个波长的光使用分开的部件是昂贵和低效的。
附图说明
通过范例方式示例本发明并且本发明不限于附图。
图1A是总体示出根据本发明的教导的包括反射器的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的示例；
图1B是总体示出根据本发明的教导的包括环形谐振器的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的示例；
图2是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的侧横截面视图；
图3是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的横截面视图；
图4是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图5是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图6是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图7是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图8是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图9是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图10是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器的一个范例的另一横截面视图；
图11是总体示例一个范例系统的图示，该范例系统包括具有集成的半导体调制器的超高容量发送器-接收器和根据本发明的教导的电泵浦的混合键合的多波长激光器。
具体实施方式
公开了用于提供电泵浦的混合半导体消逝激光器阵列的方法和装置。在以下描述中，提出了许多具体细节，以提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员，不必利用具体细节来实现本发明是明显的。在其它实例中，为了避免使本发明不清楚，不详细描述公知材料和方法。
整个说明书中引用的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全指相同实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。另外，应当理解，同此提供的附图是用于对本领域技术人员的解释目的，并且附图不必按比例绘制。
为示例，图1A和1B是根据本发明的教导的总体示出包括消逝地耦合至无源半导体材料的有源增益介质材料的电泵浦的混合半导体消逝激光器101的范例的示例。如描绘的范例中所示，激光器101从单层半导体材料103提供光束119。如所示，单层半导体材料103是硅的无源层，诸如例如是绝缘体上硅(SOI)晶片的硅层。在示例的范例中，光束119是激光输出，该激光输出的激光谱宽度主要由激光器101的增益和腔反射谱宽度决定。如所示，激光器101包括置于单层半导体材料103中的光波导105。在示例的范例中，根据本发明的教导，光波导105可以是硅脊形波导、平板波导或置于单层半导体材料103中的其它合适类型的光波导。
在图1A中示例的范例中，光波导105包括在反射器107和109之间沿光波导105限定的光腔127。在多个范例中，根据本发明的教导，反射器107和109可以包括在半导体材料103中的一个或多个光栅、在半导体材料103的腔面上的反射涂层、或在光波导105中限定光腔的其它合适工艺。在另一范例中，诸如图1B中示例的范例，根据本发明的教导，激光器101包括置于半导体材料103中的环形光波导120，并且光耦合至光波导105，以沿光波导105限定光腔。在其中光腔包括反射器107和109的图1A中所示的范例中，不包括环形谐振器120。在其中光腔包括环形谐振器120的图1B中所示的范例中，不包括所包括的反射器107和109。
如描绘的范例中所示，诸如增益介质材料123的有源半导体材料跨光波导105置于单层半导体材料103之上并耦合到单层半导体材料103。为此公开的目的，有源增益介质材料或有源半导体材料可以解释为响应于电流注入或电泵浦而发光的材料。因此，在示例的范例中，根据本发明的教导，增益介质材料123可以是电泵浦的光发射层。在另一范例中，可以有多于一个的光波导105置于单层半导体材料103中，以形成多个激光器。在一个范例中，根据本发明的教导，增益介质材料123是诸如III-V半导体条的有源半导体材料和/或具有合适的厚度和掺杂浓度的其它合适的材料和组合，III-V半导体条包括诸如InP、AlGaInAs、InGaAs和/或InP/InGaAsP的III-V半导体材料。特别地，增益介质材料123是非对称(offset)多量子阱(MQW)区增益芯片，其是倒装的芯片或晶片，该芯片或晶片是跨SOI晶片的硅层中的一个或多个光波导的“顶部”键合的或外延生长的。结果，形成了一个或多个III-V激光器，沿光波导105限定增益-介质半导体材料界面。因为对于键合如所示的跨一个或多个光波导105键合的增益介质材料123，不存在对准问题，所以，根据本发明的教导，以联接和对准分离的单独的激光器的成本的一小部分提供和制造了一个或多个激光器101，诸如例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等。
在图1A和1B中示例的范例中，根据本发明的教导，电泵浦电路161耦合到增益介质材料123，以在激光器101的操作期间电泵浦增益介质。在一个范例中，电泵浦电路161可以直接集成在单层半导体材料103内。例如，在一个范例中，单层半导体材料103是硅，且电泵浦电路161可以直接集成在硅中。在另一范例中，电泵浦电路161可以是单层半导体材料103的外部电路。
如将讨论的，在一个范例中，电泵浦电路161如图1A和1B中所示的耦合到增益介质材料123，使得注入电流注入到增益介质材料123的有源材料中，以便通过增益介质材料123限定电流注入路径并且电流路径与光腔127中的光束119的光模式或光路径交叠或至少部分地交叠。结果，根据本发明的教导，响应于增益介质材料123的电泵浦、响应于沿与光束119的光模式交叠或至少部分交叠的电流注入路径的电流注入而在光腔127中产生光。根据本发明的教导，利用如公开的激光器101，光模式119从增益介质材料123的有源区获得电泵浦的增益，其同时由无源半导体材料103的光波导105引导。
在另一范例中，根据本发明的教导，电泵浦电路161也可以耦合到半导体材料103的无源材料，使得此电流注入路径的至少部分也可以穿过如图1A和1B中所示的单层半导体材料103中的光波导。在该范例中，根据本发明的教导，电流注入路径通过光波导105中的半导体材料103的无源材料以及增益介质材料123和单层半导体材料103之间的消逝耦合。
在一个范例中，具有特定波长的光在图1A的反射器107和109之间来回反射，使得在光腔127中以特定的波长发生激射。在另一范例中，具有特定波长的光在图1B的环形谐振器120内谐振，使得在环形谐振器120中以特定波长发生激射。在多个范例中，根据本发明的教导，光腔127用以发生激射的特定波长由反射器107和/或109反射的光的波长确定或由在环形谐振器120内谐振的光的波长确定。
图2是总体示出根据本发明的教导的范例激光器201的侧横截面视图。在一个范例中，激光器201可以与图1A或1B中示例的激光器101对应。如图2中所示，激光器201集成在SOI晶片中，SOI晶片包括单半导体层203，而掩埋氧化物层229置于单半导体层层203和基底层231之间。在一个范例中，单半导体层203和基底层231由无源硅制成。如所示，光波导205置于单半导体层203中，光束219通过单半导体层203引导。在图2中示例的范例中，光波导205是脊形波导、平板波导等，光腔227限定在反射器207和209之间。如图2中所示，根据本发明的教导，在一个范例中，反射器207和209是布拉格反射器。
类似于图1A或1B的增益介质材料123，增益介质材料223如图2中所示地跨光波导205的“顶部”并邻接光波导205键合到或外延生长在单层半导体材料203的单层上的“顶部”。结果，存在沿光波导205的增益介质-半导体材料界面233，该界面平行于沿光波导205的光束的传播方向。在一个范例中，增益介质-半导体材料界面233是消逝耦合界面，其可以包括在有源增益介质材料233和光波导205的半导体材料203之间的键合界面。例如，该键合界面可以包括薄的SiO2层或其它合适的键合界面材料。在一个范例中，增益介质材料223是有源III-V增益介质，并且在光波导205和增益介质材料223之间的增益介质-半导体材料界面233处存在消逝光耦合。取决于光波导205的波导尺寸，光束219的光模式的部分在III-V增益介质材料223里面，且光束219的光模式的部分在光波导205里面。在一个范例中，电泵浦增益介质材料223，以在光腔227中产生光。
在具有包括诸如MQW的有源材料的增益介质材料223和具有作为反射器或反射镜的基于无源硅波导的光栅的范例中，根据本发明的教导，在光腔227内获得了激射。图2中，利用在具有III-V增益介质223的光腔227中的反射器207和209之间来回反射的光束219示出了激射。在示例的范例中，根据本发明的教导，反射器209是部分反射的，使得光束219输出图2的右侧。在一个范例中，激光器201是宽带激光器并且反射器207和209因此不必是用于光腔227的窄带反射器或布拉格光栅，根据本发明，这大大降低了制造复杂性。在一个范例中，演示了激射，阈值为120mA、在15℃的最大输出功率为3.8mW、微分量子效率为9.6％。在一个范例中，激光器201操作在至少80℃，特征温度为63K。
图3是总体示出电泵浦的混合半导体消逝激光器301的一个范例的横截面视图，根据本发明的教导，其可以与以上结合图1A、1B或2所示例和描述的激光器中的一个对应。如所示，包括SOI晶片，其具有置于单层半导体材料303和半导体基底331之间的掩埋氧化物层329。在另一范例中，根据本发明的教导，层329可以包括不同的材料，诸如是掩埋氮化物层或硅氧氮化物层或其它合适类型的材料。在示例的范例中，硅脊形波导305置于单层半导体材料303中。
继续针对图3所示的范例，增益介质材料323键合在限定消逝耦合333的光波导305的顶部。消逝耦合333在增益介质材料323和光波导305之间，取决于光波导305的尺寸，光模式319的部分在光波导305的脊形区里面，且光模式319的部分在增益介质材料323里面。
如图3中所示，增益介质材料323的一个范例是III-V半导体材料，其包括P型层325、有源层326以及键合到N型硅单层半导体材料303的N型III-V层328。在一个范例中，增益介质材料323包括InP或另外的合适的III-V材料。在一个范例中，P型层325包括P型四元层328、P型盖层330和P型分别限制异质结(SCH)332，如图3的范例中所示。在一个范例中，有源层326包括MQW材料。在示例的范例中，根据本发明的教导，增益介质材料323键合到光波导305的脊形区并与其邻接。如所示，接触部341也耦合到增益介质材料323。
在图3中所示的范例中，根据本发明的教导，示例了导电键合设计，其中经由硅光波导305执行电流注入，以操作和电泵浦激光器301。同样，硅脊形波导305包括n型掺杂。在示例的范例中，接触部343和345耦合到光波导305的条形区的外部部分。图3的示例示出了电子经由接触部343和345并穿过N型掺杂的硅半导体层303注入到有源层326，且空穴经由接触部341并穿过P型层325注入到有源层326。在图3中所示的范例中，电子示例为e-，而空穴示例为h+。因此，电流注入路径穿过增益介质材料323的有源层326限定在接触部341、343和345之间，并与光模式319交叠或至少部分交叠，如图3的范例中所示。这样，根据本发明的教导，响应于增益介质材料323的电泵浦、响应于沿与光束319的光模式交叠或至少部分交叠的电流注入路径的电流注入而产生光。
应当注意，由于在侧向方向上增益介质材料323的III-V区的对称性，所以在键合前，在增益介质材料晶片和光波导305之间无需对准步骤。从而，根据本发明的教导，在硅晶片上提供了与无源半导体波导部分自对准的大规模光集成的电泵浦源，因为激光器和无源波导都可以使用相同的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的SOI刻蚀来限定。
还应当注意，在图3中示例的范例中，接触部343和345耦合到无源N型Si半导体层303，使得穿过消逝耦合界面333并穿过无源半导体材料303来限定电流注入路径的部分。在另一范例中，接触部343和345可以耦合到增益介质材料323，使得整个电流注入路径不通过消逝耦合界面333，并且因此保持在增益介质材料323内。
为示例，图4是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器401的另一范例的另一横截面视图，其中整个电流注入路径保持在增益介质材料内。应当注意，根据本发明的教导，图4的激光器401可以与以上结合图1A、1B或2示例和描述的激光器中的一个对应。如所示，包括SOI晶片，其具有置于SOI晶片的单层半导体材料403和半导体基底431之间的掩埋氧化物层429。在示例的范例中，硅脊形波导405置于单层半导体材料403中。增益介质材料423键合到限定消逝耦合433的光波导405的顶部上。消逝耦合433在增益介质材料423和光波导405之间，取决于光波导405的尺寸，光模式419的部分在光波导405的脊形区的里面且光模式419的部分在增益介质材料423的里面。
在图4中示出的范例中，增益介质材料423的一个范例是III-V半导体材料，其包括P型层425、有源层426和键合到N型硅单层半导体材料403的N型III-V层428。在一个范例中，增益介质材料423包括InP或别的合适的III-V材料。在一个范例中，P型层425包括P型四元层428、P型盖层430和P型SCH层432。在一个范例中，有源层426包括MQW材料。如示例的范例中所示，根据本发明的教导，增益介质材料423键合到光波导405的脊形区并与其邻接。如所示，接触部441也耦合到增益介质材料423。
在图4所示的范例中，与图3的激光器相比，接触部443和445直接耦合到增益介质材料423的N型III-V层428，而不是光波导305的条形区的外部部分。同样，图4所示例的范例示出了电子经由接触部443和445穿过N型III-V层428注入到有源层426，而空穴经由接触部441穿过P型层425注入到有源层426。从而，电流注入路径穿过增益介质材料423的有源层426限定在接触部441、443和445之间，并且与光模式419交叠或至少部分地交叠，如图4的范例中所示。这样，根据本发明的教导，响应于增益介质材料423的电泵浦、响应于沿与光束419的光模式交叠或至少部分交叠的电流注入路径的电流注入而产生光。应当注意，在图4示例的范例中，接触部443和445直接耦合到增益介质材料423的N型III-V层428，电流注入路径不通过消逝耦合界面433，并且因此保持在增益介质材料423内。
应当注意，在图3和4示例的范例中，光波导305和405均示例为脊形波导。在另一范例中，根据本发明的教导，应当理解也可以使用其它合适类型的光波导。例如，在另一范例中，可以使用平板波导。为示例，图5是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器501的另一范例的另一横截面视图，其中包括平板波导。应当注意，根据本发明的教导，图5的激光器501可以与以上结合图1A、1B或2示例和描述的激光器中的一个对应。
如描绘的范例中所示，包括SOI晶片，其具有置于SOI晶片的单层半导体材料503和半导体基底531之间的掩埋氧化物层529。在示例的范例中，硅平板波导505置于单层半导体材料503中。增益介质材料523键合到限定消逝耦合533的平板波导505的顶部上。消逝耦合533在增益介质材料523和光波导505之间，取决于光波导505的尺寸，光模式519的部分在光波导505里面且光模式519的部分在增益介质材料523里面。
在图5中示出的范例中，增益介质材料523的一个范例是III-V半导体材料，其包括P型层525、有源层526和键合到N型硅单层半导体材料503的N型III-V层528。在一个范例中，增益介质材料523包括与例如图4的增益介质材料423或图3的增益介质材料323的材料类似的材料。如示例的范例中所示，根据本发明的教导，增益介质材料523键合到光波导505并与其邻接。如所示，接触部541也耦合到增益介质材料523。
与图4中所示的范例接触部443和445类似，图5中所示的接触部543和545直接耦合到增益介质材料523的N型III-V层528。相应地，电子经由接触部543和545穿过N型III-V层528注入到有源层526，而空穴经由接触部541穿过P型层525注入到有源层526。从而，电流注入路径穿过增益介质材料523的有源层526限定在接触部541、543和545之间，并且与光模式519交叠或至少部分地交叠，如图5的范例中所示。这样，根据本发明的教导，响应于增益介质材料523的电泵浦、响应于沿与光束519的光模式交叠或至少部分交叠的电流注入路径的电流注入而产生光。应当注意，在图5中示例的范例中，接触部543和545直接耦合到增益介质材料523的N型III-V层528，电流注入路径不通过消逝耦合界面533，并且因此保持在增益介质材料523内。
图6是总体示出根据本发明的教导的电泵浦的混合半导体消逝激光器601的一个范例的另一横截面视图。能够注意到，激光器601与图4的范例激光器401具有相似之处。例如，图6中示例的范例包括SOI晶片，其具有置于SOI晶片的单层半导体材料603和半导体基底631之间的掩埋氧化物层629。在示例的范例中，硅脊形波导605置于单层半导体材料603中。增益介质材料623键合到限定消逝耦合633的光波导605的顶部上。消逝耦合633在增益介质材料623和光波导605之间，取决于光波导605的尺寸，光模式619的部分在光波导605的脊形区里面，且光模式619的部分在增益介质材料623里面。
在示例的范例中，增益介质材料623是III-V半导体材料，其包括P型层625、有源层626和键合到N型硅单层半导体材料603的N型III-V层628。在一个范例中，增益介质材料623包括与例如图4的增益介质材料423或图3的增益介质材料323的材料类似的材料。如示例的范例中所示，根据本发明的教导，增益介质材料623键合到光波导605并与其邻接。如所示，接触部641也耦合到增益介质材料623。与图4的接触部443和445类似，接触部543和645直接耦合到增益介质材料423的N型III-V层628。同样，图6示例的范例示出了电子经由接触部643和645穿过N型III-V层628注入到有源层626，而空穴经由接触部641穿过P型层625注入到有源层626。从而，电流注入路径穿过增益介质材料623的有源层626限定在接触部641、643和645之间，并且与光模式619交叠或至少部分地交叠，如图6的范例中所示。这样，根据本发明的教导，响应于增益介质材料623的电泵浦、响应于沿与光束619的光模式交叠或至少部分交叠的电流注入路径的电流注入而产生光。
激光器601和激光器401之间的一个差别是激光器601的一个范例还包括限制区634和636，如图6中所示。在一个范例中，限制区634和636是如所示的限定在增益介质材料623的相对的侧向侧上的限制区，以有助于将来自接触部641的注入电流限制或聚焦于与光模式619交叠或至少部分交叠的有源层626的部分。在一个具有限制区634和636的范例中，来自接触部641的注入电流往往侧向扩展，这增加了损耗并降低了激光器601的功率。然而，根据本发明的教导，利用限制区634和636，更多的注入电流被垂直限制或被迫通过有源层426并与光模式619交叠。在图6中示例的范例中，根据本发明的教导，利用质子对P型层625进行轰击或注入，以如所示的将被轰击的部分P型层625转变为绝缘的或至少半绝缘的区限制区634和636。在其它范例中，根据本发明的教导，可以通过刻蚀和再生长或氧化或其它合适技术来得到限制区634和636。
图7是示出另一激光器701的范例的示例，根据本发明的教导，其包扩用于垂直限制注入电流的限制区。在一个范例中，激光器701与图6的激光器601具有许多相似之处，并且类似的元件相应地在图7中类似地编号。如图7的范例中所示，根据本发明的教导，激光器701中的限制区734和736如所示的限定在增益介质材料623的相对的侧向侧上，以有助于将来自接触部641的注入电流垂直限制或聚焦于与光模式619交叠或至少部分交叠的有源层626的部分。
在一个范例中，通过如所示的侧向刻蚀增益介质材料623设置限制区734和736，以垂直限制或迫使注入电流下降到有源层626。在一个范例中，根据本发明的教导，半绝缘或绝缘材料，诸如SiO2或聚合物或其它合适材料，可以填充到刻蚀区中，以形成限制区734和736。
在另一范例中，可以通过如图7中所示的在接触部641的相对的侧上注入诸如磷等的材料并然后老化得到的结构来设置限制区734。这在量子阱中引起相互扩散，使得它们提高它们的带隙并变得透明。然后，根据本发明的教导，可以注入氢，以将P型材料转变为半绝缘材料，得到限制区734和736，如图7中所示。
图8是示出另一激光器801的范例的示例，根据本发明的教导，其也包括用于垂直限制注入电流的限制区634和636。在一个范例中，激光器801与图6的激光器601具有许多相似之处，并且类似的元件相应地在图8中类似地编号。如图8的范例中所示，与例如图6的激光器601相比，激光器801包括的接触部841和843非对称地布置。具体地，增益介质材料823的顶部的表面区域比图6的增益介质材料623的顶部的表面区域大，使得接触部841基本上更大并具有到P型层625的具有较低电阻的改善的欧姆接触。从而，根据本发明的教导，在接触部841和843之间提供了较低的总电阻，以在注入电流到有源层626中时提供改善的性能。
图9是示出另一激光器901的范例的示例，根据本发明的教导，其也包括用于垂直限制注入电流的限制区734和736。在一个范例中，激光器901与图7的激光器701具有许多相似之处，并且类似的元件相应地在图9中类似地编号。如图9的范例中所示，与例如图7的激光器701相比，激光器901包括的接触部941和943非对称地布置。具体地，增益介质材料923的顶部的表面区域比图7的增益介质材料723的顶部的表面区域大，使得接触部941基本上更大并具有到P型层625的具有较低电阻的改善的欧姆接触。从而，根据本发明的教导，在接触部941和943之间提供了较低的总电阻，以在注入电流到有源层626中时提供改善的性能。
图10是示出另一激光器1001的范例的示例，根据本发明的教导，其也包括用于垂直限制注入电流的限制区734和736。在一个范例中，激光器1001与图9的激光器901具有许多相似之处，并且类似的元件相应地在图10中类似地编号。如图10的范例中所示，与例如图9的激光器901相比，激光器1001包括的接触部941和943也非对称地布置。然而，与接触部943如图9的激光器901中所示的直接耦合到N型III-V层628不一样，激光器1001的接触部1043直接耦合到半导体层1003的N型Si。结果，接触部941和1043之间的注入电流路径流过消逝耦合633和N型Si半导体层1003。需要注意，根据本发明的教导，限制区734和736的组合与盖区结合限定光波导605的脊形区的侧向侧，迫使或限制注入的电流流过有源层626中的光模式619。
图11是范例光学系统1151的示例，根据本发明的教导，该范例光学系统包括集成的半导体调制器多波长激光器，该激光器具有电泵浦的混合半导体消逝激光器101的阵列，电泵浦的混合半导体消逝激光器101包括消逝地耦合到无源半导体材料103的有源增益介质材料123。在一个实施例中，应当理解，根据本发明的教导，激光器101的阵列中的每个范例激光器可以与先前所述的电泵浦的混合激光器的一个或多个类似。在示例的范例中，如图11中示例的单半导体层103是光芯片，其包括多个光波导105A、105B...105N，在该多个光波导上，键合单条增益介质材料123，以制造分别在多个光波导105A、105B...105N中产生多个光束119A、119B...119N的宽带激光器阵列。根据本发明的教导，对多个光束119A、119B...119N进行调制，并且然后，多个光束119A、119B...119N的选择的波长然后在复用器117中组合，以输出单光束121，其可以通过单光纤1153传输至外部光接收器1157。在一个范例中，根据本发明的教导，集成的半导体调制器多波长激光器能够以包括在单光束121中的多个波长在单光纤1153上以超过1Tb/s的速度传输数据。例如，在包括在集成的半导体调制器多波长激光器中的光调制器113A、113B...113N操作在40Gb/s的范例中，集成的半导体调制器多波长激光器的总容量将为N×40Gb/s，其中N是基于波导的激光源的总数。在一个范例中，多个光波导105A、105B...105N在单层半导体材料103中以约50-100μm间隔开。对应地，在一个范例中，根据本发明的教导，可以以小于4mm的半导体材料103的块从集成的半导体调制器多波长激光器传输整个总线的光数据。
图11还示出了在光学系统1151的范例中，根据本发明的教导，也可以耦合单半导体层103，以通过单光纤1155从外部光发送器1159接收光束1121。因此，在一个示例的范例中，根据本发明的教导，单半导体层103是在小的形式因子(form factor)内的超高容量发送器-接收器。在示例的范例中，应当注意，外部光接收器1157和外部光发送器1159示例为存在于相同芯片1161上。在另一范例中，应当理解，外部光接收器1157和外部光发送器1159可以存在于分开的芯片上。在示例的范例中，接收的光束1121由解复用器1117接收，其将接收的光束分束成多个光束1119A、1119B...1119N。在一个范例中，由解复用器1117根据多个光束1119A、1119B...1119N各自的波长对多个光束1119A、1119B...1119N进行分束，并且然后通过置于单层半导体材料103中的多个光波导1105A、1105B...1105N导引多个光束1119A、1119B...1119N。
如示例的范例中所示，一个或多个光探测器光耦合到多个光波导1105A、1105B...1105N中的每一个，以探测多个光束1119A、1119B...1119N的各个光束。具体地，在一个范例中，光探测器1163A、1163B...1163N的阵列光耦合到多个波导1105A、1105B...1105N。在一个范例中，光探测器1163A、1163B...1163N的阵列包括SiGe光探测器等，以探测多个光束1119A、1119B...1119N。
如描绘的范例中所示，另一单条半导体材料1123可以跨多个光波导1105A、1105B...1105N键合到单层半导体材料103，以形成光耦合到多个光波导1105A、1105B...1105N的光探测器阵列。在一个范例中，单条半导体材料1123包括III-V半导体材料，以制造光耦合到多个光波导1105A、1105B...1105N的III-V光探测器。在一个范例中，根据本发明的教导，可以使用与用于而跨多个波导105A、105B...105N键合单条半导体材料123的工艺和技术相类似的工艺和技术来将单条半导体材料1123键合到单层半导体材料103。如所示，使SiGe和基于III-V的光探测器光耦合到多个光波导1105A、1105B...1105N，根据本发明的教导，可以探测多个光束1119A、1119B...1119N的多种波长。
在图5中示例的范例中，根据本发明的教导，控制/泵浦电路1161也可以包括或集成在单层半导体材料103中。例如，在一个范例中，单层半导体材料103是硅，而控制电路1161可以直接集成在硅中。在一个范例中，根据本发明的教导，可以电耦合控制电路1161，以控制、监控和/或电泵浦多波长激光器阵列101中的任何一个或多个激光器、多个功率监控器、多个光调制器、光探测器的阵列或置于单层半导体材料103中的其它器件或结构。
在前述详细描述中，参照其具体范例实施例描述了本发明的方法和装置。然而，很明显，可以不脱离本发明的宽广精神和范围对其作出多种修改和改变。因此，本发明的说明书和附图应当视为示例性的而非限制性的。

Claims (35)

1.一种装置，包括：
置于硅中的光波导；
置于所述光波导之上的包括N-III-V层的增益介质材料，在所述光波导和所述增益介质材料之间限定消逝耦合界面，使得由所述光波导引导的光模式与所述光波导和所述增益介质材料均交叠；以及
整个限定在所述增益介质材料内的电流注入路径，并且所述电流注入路径至少部分地与所述光模式交叠，使得响应于所述增益介质材料的电泵浦、响应于沿所述电流注入路径的电流注入而产生光。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述增益介质材料还包括：
形成于所述N-III-V层上的有源层；
形成于所述有源层上的P层。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述有源层包括与所述光模式交叠的多量子阱(MQW)区。
4.如权利要求2所述的装置，还包括位于所述N-III-V层上的接触部对以及位于所述P层顶部的接触部。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述电流注入路径在所述N-III-V层内。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述N-III-V层键合到所述硅，在所述光波导和所述增益介质材料之间形成键合界面。
7.如权利要求1所述的装置，还包括在所述增益介质材料的相对的侧向侧上限定的电流注入限制区，以有助于限制所述电流注入穿过所述增益介质材料而与所述光模式交叠。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括所述增益介质材料的质子注入区。
9.如权利要求7所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括置于所述增益介质材料的所述相对的侧向侧上的至少半绝缘的材料。
10.一种方法，包括：
利用置于硅中的光波导引导光模式；
使通过所述光波导引导的所述光模式与所述光波导和消逝地耦合到所述光波导的增益介质材料均交叠，所述增益介质材料包括N-III-V层和形成于所述N-III-V层之上的有源层；
通过注入穿过所述有源层并穿过所述光模式的电流来电泵浦所述增益介质材料，其中，所述电流的注入路径整个限定在所述增益介质材料内；以及
响应于所注入的电流，在所述有源半导体材料中产生光。
11.如权利要求10所述的方法，还包括利用限定在所述有源半导体材料中的限制区来限制所注入的电流，以导引所注入的电流穿过所述光模式。
12.如权利要求10所述的方法，还包括在包含所述光波导的光腔内激射光。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述增益介质材料还包括形成于所述有源层之上的P层。
14.如权利要求13所述的方法，其中，注入所述电流包括通过位于所述N-III-V层上的接触部对以及位于所述P层顶部的接触部来注入所述电流。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述电流注入路径在所述N-III-V层内。
16.如权利要求10所述的方法，其中，使通过所述光波导引导的所述光模式与所述光波导和增益介质材料均交叠包括：将所述N-III-V层键合到所述硅，在所述光波导和所述增益介质材料之间形成键合界面。
17.一种系统，包括：
激光器，其包含：
置于硅中的光波导；
置于所述光波导之上的包括N-III-V层的增益介质材料，在所述光波导和所述增益介质材料之间限定消逝耦合界面，使得由所述光波导引导的光模式与所述光波导和所述增益介质材料均交叠；以及
整个限定在所述有源半导体材料内的电流注入路径，并且所述电流注入路径至少部分地与所述光模式交叠，使得响应于所述有源半导体材料的电泵浦、响应于沿所述电流注入路径的电流注入而产生光；
光耦合的光接收器，用于接收由所述激光器产生的光；以及
光纤，所述激光器产生的光被通过所述光纤从所述激光器导引到所述光接收器。
18.如权利要求17所述的系统，还包括光耦合的光调制器，用于调制由所述激光器产生的光。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述有源半导体材料包括与所述光模式交叠的多量子阱(MQW)区。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述增益介质材料还包括：
形成于所述N-III-V层上的有源层；
形成于所述有源层上的P层。
21.如权利要求20所述的系统，还包括位于所述N-III-V层上的接触部对以及位于所述P层顶部的接触部。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述电流注入路径在所述N-III-V层内。
23.如权利要求20所述的系统，其中，所述N-III-V层键合到所述硅，在所述光波导和所述增益介质材料之间形成键合界面。
24.如权利要求20所述的系统，还包括在所述增益介质材料的相对的侧向侧上限定的电流注入限制区，以有助于限制所述电流注入穿过所述增益介质材料而与所述光模式交叠。
25.如权利要求20所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括所述增益介质材料的质子注入区。
26.如权利要求20所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括置于所述增益介质材料的所述相对的侧向侧上的至少半绝缘的材料。
27.一种装置，包括：
置于绝缘体上硅(SOI)晶片的单个硅层中的光波导；
置于所述单个硅层的表面上的在所述光波导之上的包括N-III-V层的增益介质材料，在所述光波导和所述增益介质材料之间限定消逝耦合界面，使得由所述光波导引导的光模式与所述光波导和所述增益介质材料均交叠；以及
整个限定在所述增益介质材料内的电流注入路径，并且所述电流注入路径至少部分地与所述光模式交叠，使得响应于所述增益介质材料的电泵浦、响应于沿与所述光模式至少部分交叠的所述电流注入路径的电流注入而产生光。
28.如权利要求27所述的装置，其中，所述增益介质材料还包括：
形成于所述N-III-V层上的有源层；
形成于所述有源层上的P层。
29.如权利要求28所述的装置，其中，所述有源层包括与所述光模式交叠的多量子阱(MQW)区。
30.如权利要求28所述的装置，还包括位于所述N-III-V层上的接触部对以及位于所述P层顶部的接触部。
31.如权利要求30所述的装置，其中，所述电流注入路径在所述N-III-V层内。
32.如权利要求27所述的装置，其中，所述N-III-V层键合到所述单个硅层，在所述光波导和所述增益介质材料之间形成键合界面。
33.如权利要求27所述的装置，还包括在所述增益介质材料的相对的侧向侧上限定的电流注入限制区，以有助于限制所述电流注入穿过所述增益介质材料而与所述光模式交叠。
34.如权利要求27所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括所述增益介质材料的质子注入区。
35.如权利要求27所述的装置，其中，所述电流注入限制区包括置于所述增益介质材料的所述相对的侧向侧上的至少半绝缘的材料。
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