CN102388513A - 混合垂直腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明为硅平台(3)上的光回路提供光源(2)。垂直激光腔由布置在顶部镜(4)与衬底上硅层(10)中光栅区(11)内的底部光栅镜(12)之间的增益区(101)形成。用于接受来自光栅区(11)的光的波导(18，19)在光栅区内部形成或与之连接，并且作为VCL的输出耦合器发挥作用。因此，垂直激射模(16)耦合于该硅层中所形成的面内波导的横向面内模(17，20)，并且光可以提供至例如硅中的SOI或CMOS衬底上的光子回路。

Description

混合垂直腔激光器

发明领域

本发明涉及提供光至与成熟硅加工技术相容的硅平台(silicon platform)上的光子回路(Photonic Circuit)。尤其，本发明涉及通过使用光栅镜(Grating-Mirror)垂直腔激光器(Vertical-Cavity Laser)提供光至此种回路。

背景技术

在硅基光子回路中集成微小且高效电泵浦(electrically pumped)光源的挑战是熟知的。

Gunn(Photonics Spectra，2006年3月，第62-67页)描述了这种挑战并提出一种解决方案，其中光由非集成的外部激光源提供。经一条光纤，将光引导至集成的全息透镜并且因而与一集成的波导耦合。这种方法具有需要繁琐校准和后续封装的缺点。

Fang等人(Optics Express，14，第9203页(2006))描述了边发射电泵浦AlGaInAs-硅迅衰激光器(evanescent laser)架构。该架构是与绝缘体(SOI)衬底上的硅键合的晶片以及完全被下方SOI衬底中的硅波导所限定的激光腔。尽管基于边发射激光器的解决方案提供与光子回路的容易的耦合，但是它们具有相对高的电力消耗和非本征(non-intrinsic)单模(single mode)控制的缺点。

因此，在硅平台上集成光源的改良方式将是有利的，并且尤其，提供光至光子回路的更高效和/或更可靠方式将是有利的。

发明内容

本发明的一个目的是提供现有技术的一种替代方案。

尤其，可以将以下视为本发明的目的：提供解决现有技术中上文所提及问题的方法和混合垂直腔激光器(混合VCL)结构以提供光至光回路。

因而，上述目的以及其他几个目的意图在本发明的第一方面通过使用硅平台中的底部光栅镜在硅平台上制作多种混合VCL结构来实现，所述方法包括：

提供包括由III-V材料形成的活性区和高度反射性顶部镜的分层结构；

在硅层中形成光栅区，所述硅层被折射率比该硅层低的层支持，该光栅区包含由硅层部分形成的一维(1D)或二维(2D)周期性折射率光栅和在该硅层中形成的并且具有比该硅层低的折射率的区域；

在所述硅层中形成波导，所述波导被设置成促进来自光栅区的光横向输出耦合于该波导，这可以通过在光栅区内部和/或与光栅区连接(如邻接)形成来获得；并且

在光栅区上设置所述分层结构，包括在所述分层结构与所述光栅区之间提供折射率比所述硅层的折射率低的层，从而周期性折射率光栅构成底部光栅镜以使得在所述顶部镜和所述光栅区之间形成VCL腔。该波导优选地相对于VCL腔为横向取向并且作为VCL的输出耦合波导发挥作用。

下文中，将描述众多的其他方面、优选和/或任选的特征、要素、实例和实施。根据需要，相对于一个实施方式或方面所描述的特征或要素可以与其他实施方式或方面组合或适用于它们。例如，就混合VCL结构而言适用的结构性和功能性特征也可以通过适宜调整作为就用于混合VCL结构的方法而言的特征使用，并且反之亦然。另外，对本发明人所实现的本发明的潜在机制的解释用于解释性目的，并且它们不应当在用于推断本发明的事后分析中使用。

包括高度反射性顶部镜、活性区和底部光栅镜的结构既称作“光栅镜垂直腔激光器(GMVCL)结构”，又称作具有底部光栅镜或使用底部光栅镜所形成的VCL结构。在本描述的意思范围内，这些术语具有相同的意思。另外，包括高度反射性顶部镜和活性区，但无底部光栅镜的分层结构称作“部分VCL结构”或根据上下文，简单地称作“分层结构”。

混合VCL结构横向地发射光至面内(in-plane)波导，同时垂直腔表面发射的激光(VCSEL)从镜表面垂直地发射至空气。因此，混合VCL是这样的结构，其包含具有高度反射性从而不作为输出耦合器发挥作用的顶部镜，以III-V材料形成的活性区和形成高度反射性底部光栅镜以产生带顶部镜的VCL腔的硅基光栅区，以及用于从VCL腔发射光至硅衬底中外部光子回路的横向取向的波导。

可以在例如US 2007/0201526中找到使用二维(2D)光栅镜的现有技术VCSEL的实例。该结构在几个方面不同于本发明，其中之一是底端镜之一具有降低的反射率，旨在作为输出耦合器而发挥作用，从而产生激光表面发射。另外，US 2007/0201526在支持意图横向输出光的2D光栅结构的层中没有提供面内波导结构。然而，该技术是相似的并且在本描述中在VCSEL技术上进行了广泛参考。本发明因而也是有利的，在于它使用了显示极低电消耗、优良的单模特性(singl-mode property)和通用模控制(mode control in general)的成熟VCSEL技术。另外，VCSEL技术的使用允许不复杂的封装。

优选的是在部分VCL结构中获得光学和电学配置(confinement)的方式在混合化(hybridisation)允许较宽的的校准公差(alignment tolerance)，即它们不依赖于部分VCL结构在底部光栅镜上的精确定位，或换句话说，底部光栅镜对于获得光学和电学配置没有贡献或不在其中发挥作用。

该顶部镜不作为如常规顶部发射型VCSEL中那样的输出耦合镜来使用，并且因此具有比VCSEL的正常输出耦合镜高的反射率。优选该顶部镜具有尽可能接近100％(例如，在没有掺杂的情况下高于99.95％)的反射率。该顶部镜可以分布式布拉格反射镜(DBR)、光栅镜、这两种镜的混合体或任何其他类型的反射镜。该顶部镜可以与活性区一同外延生长、在活性区晶片键合(wafer-bonded)或沉积到活性区上，这取决于获得光学或电学配置的材料和方法的选择。

本发明使用光栅镜作为底部反射镜以建立VCL腔并作为路由器或耦合器将入射光的一部分输送至面内波导。根据反射机制，高度反射性光栅镜可以分成两类。在一种类型中，光栅的入射性垂直传播的自由空间模和横向传播的光子带隙(PBG)模的共振耦合参与反射过程，而在另一种类型中，则不参与。即便这两种类型均可以提供接近100％的反射率，只有涉及PBG模的类型可以作为反射镜和路由器/耦合器发挥作用，因而是本发明中优选使用的一种类型。在这种光栅镜类型中，在入射性自由空间模中的光在光栅中衍射；部分的衍射光优选地与Γ(γ)-点慢光PBG模(Γ(gamma)-point slow light PBG mode)耦合；在PBG模中的光在光栅中横向地传播并且耦合而回到自由空间模。这种耦合过程可以产生共振。在面内波导不存在于光栅镜内部或不与之连接的情况下，这种共振耦合过程可以产生接近100％的反射率。如果输出耦合波导在于光栅区内部形成或与之连接，则光栅的PBG模可以与波导模轻易地耦合；这会产生例如约-3dB的高路由/耦合效率，其可比于现有技术的全息光栅耦合器的耦合效率。然而，在不涉及PBG模的另一个类型的光栅镜中，在自由空间模中的光在光栅中衍射，但是并不与PBG模强烈耦合；因而，路由效率较低。

波导，也称作面内、输出耦合波导，在硅层中形成，并且优选地包含在光栅区中的光栅波导(GWG)和该光栅区外部的折射率对比波导(ICWG)。GWG是促进从PBG模提取部分光至ICWG模的中间波导(intermediate waveguide)。通过优化GWG的拓扑学和GWG和ICWG的连接部分，路由效率可以进一步提高超过-3dB。优选带有横向波导的底部光栅镜具有约99.5％的反射率和-3dB的路由效率。这种反射率值可比于常规VCSEL的垂直输出镜的反射率。

该光栅镜的路由功能很不同于常规光栅耦合器的耦合功能。在本发明的光栅镜中，极小部分的入射光被路由至面内波导，而大部分的入射光被反射。例如，当光栅镜具有99.5％的反射率和-3dB的路由效率时，99.5％的入射光被反射，而0.25％的入射光被输出至波导。相反，在现有技术的全息光栅耦合器中，-3dB即50％的入射光与波导耦合(Photonics Spectra，2006年3月，第62-67页)。

参与与PBG模的共振耦合的高度反射性光栅镜与波导形式的面内输出耦合器的这种组合是新颖的，其中所述的波导在光栅区内部形成或与之连接。迄今报道的大部分似乎相似的光栅结构在结构性形状、功能或反射过程(涉及慢光模)的方面不同于本发明的光栅镜。例如：

●在US 2007/0153860中，I.-S，Chung等人，(IEEE Photonic.Tech.Lett，20，1041(2008))和WO 2005/089098中，反射不涉及与慢光PBG模的共振耦合；

●在US 6,031,243中，光栅不作为反射镜工作；

●在US 2007/0201526中，光栅镜不具有用于横向输出而连接的波导，并且慢光PBG模在色散图中远离Γ(gamma)点；

●在R.Jones等人(“Grating based hybrid silicon lasers(基于光栅的混合硅激光器)”，Proceedings of SPIE，第7230卷，第72300U-1页中，光栅用来选择激射频率，既不作为反射镜也不作为路由器来发挥作用；

●在H.Wu等人(“超广带SOI二元闪耀光栅镜(Ultra broadband SOI binaryblazed grating mirror)”，第五届IV族光子学IEEE国际大会论文集(5th IEEEInternational Conference on Group IV Photonics)，第299-301页)中，光栅是表面光栅，即，光栅的底部不由较低折射率材料支持。因此，其反射率不会超过99％，不足以产生激光。

本发明尤其，但不排他地有利于使用混合VCL结构提供光至光子回路，其中所述的混合VCL结构在硅平台上以比众多现有技术方案更不敏感于校准误差的方式混合(hybridis)。这种是有利的，因为它提供了不同部分装配期间更容易并且因而更便宜的校准。

本发明也是有利的，因为它使用一维(1D)或二维(2D)无源光栅并且优选地还使用光栅波导。在文献中，2D光栅和光栅波导经常分别叫作光子晶体(PhC)和光子晶体波导(PhCWG)。为避免混淆，下文分别将PhC和PhCWG称作2D光栅和GWG。

混合是将不同种类或变种混合以产生杂合体的动作。在本文环境下，它意指以来自元素周期表III族和V族中的材料(下文为“III-V族材料”)所形成的结构与以IV族族材料所形成的结构物理或功能地连接。类似地，混合的结构是与以IV族材料形成的结构连接的以III-V族材料所形成的结构，或反之亦然。连接一般通过晶片键合技术来进行，并且优选部分VCL结构的III-V活性区与硅基光栅区以晶片键合方式连接。如果对于目标用途足以胜任，则也可以使用其他连接技术。

在下文中，术语“混合VCL”意指在包含高度反射性顶部镜和活性区(III-V族材料)分层结构与光栅区(IV族材料)连接时所获得的结构。这种连接的建立提供了VCL(因为光栅区提供底部镜)和根据以上定义的混合结构。然而，为了确保与本领域中其他充分建立的术语相符合，“混合VCL”也称作“混合VCL结构”，特别指出使用光栅镜产生这种混合VCL。在本描述的意思范围内，这具有相同的意思。

如本领域技术人员将会理解，硅层可以是布置在衬底上的几个区分的硅层部分，一些部分可能处于不同的能级(level)。另外，还将理解的是，虽然硅是当下技术的优选方法，然而就本发而言，显示相似特性的其他材料(如其他类型的IV-材料、IV材料组合物或高折射率材料)可以替换硅。

在第二方面，本发明提供混合VCL结构，其包含：

-分层结构，该分层结构包括以III-V族材料形成的活性区和不作为输出耦合镜使用并且具有优选大于99.95％的反射率的高度反射性顶部镜；和

-在被具有较低折射率的层支持的硅层中形成的光栅区，该光栅区包含由硅层部分形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；

-在该硅层的光栅区的顶部提供的、具有比该硅层的折射率低的折射率的层；

其中分层结构设置在光栅区上，从而周期性折射率光栅构成了形成于顶部镜与光栅区之间的VCL腔的底部光栅镜，该底部光栅镜也促进处于VCL腔垂直模的光耦合于光栅区的面内模，和

-在硅层中形成的波导，其被设置成促进来自光栅区的光耦合于该波导。

第三方面涉及具有光栅区的硅基衬底，该光栅区来自第二方面，但单独地提供。因而，在第三方面，本发明提供带有横向取向的波导的硅基光栅镜，其包括：

-被具有较低折射率的层支持的硅层；

-光栅区，包含由硅层部分所形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在所述硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；

-至少部分光栅区形成光栅镜，用于正常反射入射光并且使入射光与光栅区的面内模正常耦合；和

-在该硅层中形成的波导，其被设置成促进来自光栅区面内模的光耦合于该波导。

在光栅区顶部上形成的任何层，例如低折射率层，对于激射波长是透明的。例如，激射波长可以是1.1、1.3和1.55μm。

在该器件的制造加工期间，可以通过以平版印刷方式改变光栅设计(即光栅的厚度、周期性、空气填充率和图案形状)来改变光栅镜的反射率，同时可以通过改变硅光栅上方的低折射率层的厚度来调节GMVCL的激射波长。

在第四方面，一起提供带有来自第二方面的光栅区的部分VCL结构和衬底来作为单独、未装配的结构。因而，在第三方面，本发明提供如第二方面中所述的部分VCL结构和如第二方面中所述的硅层，但是作为替代连接结构的装配用套件(a kit for assembly)。

额外地或可选择地，第四方面可以提供分层结构和用于接受该分层结构的的硅层。

-该分层结构包含以III-V族材料形成的活性区和不作为输出耦合镜使用并且具有接近于100％(例如，高于99.95％)的反射率的高度反射性顶部镜；

-该硅层被具有较低折射率的层支持并且包含：

о光栅区，包含由硅层部分所形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；和

о在该硅层中形成的波导，其被设置成促进来自光栅区的光耦合于该波导；

其中分层结构或光栅区至少之一包含或涉及这样的构造：当该分层结构在该光栅区上布置时，所述构造将在该光栅区上方提供折射率比该硅层的折射率低的层。

在一些实施方式中，光栅区中的GWG可以省略，从而耦合是直接从周期性折射率光栅的面内PBG模至光栅区外部形成的波导，如折射率对比波导。然而，这可能降低耦合效率。

优选该方法的实施方式包括来自VCL腔的光耦合于光栅区的面内PBG模。该混合结构因而发挥有效提供光至硅层中面内光栅模的作用，这有利于提供光至硅平台上的光子回路。

可以通过中间GWG促进与ICWG的耦合，所述的中间GWG优选地在光栅区内部形成。在这个实施方式中，该方法的实施方式还包括来自光栅区面内PBG模的光耦合于GWG的波导模，其中所述的GWG在硅层中、优选地在光栅区内部形成。这种布置可以通过以下方式实现：当VCL发射光时确保底部光栅镜中GWG模和VCL腔模之间出现部分重叠，以及设计GWG的几何形状，从而GWG模的模色散应当相似于或绝热地(adiabatically)变换成PBG模的模色散。

可以优选优化GWG的拓扑学和GWG和ICWG的连接部分，旨在进一步降低模耦合/路由期间不想要的散射损失，从而提高总体路由效率。

进一步优选在硅层上布置部分VCL结构后限定VCL的光学增益(opticalgain)区。这提供下述优点：在装配后可以限定光学增益区与周期性折射率光栅具有想要的重叠，这一般通过晶片键合来实施，其中光学增益区与周期性折射率光栅彼此不再相互移动。这意味装配期间需要少量校准工作或不需要校准。VCL的光学增益区的位置涉及限定用于指导载流子至VCL结构的活性区的指定部分(delimited part)的电流孔(current aperture)或相似物。

本发明以便宜、紧凑和高效的方式为硅平台上的光子回路提供光源。本发明的基本思路是基于标准VCSEL技术形成在顶部镜与活性区之间的垂直激光腔，和作为在衬底上硅层中所形成的折射率光栅镜的底部镜。如此设计硅层中的光栅镜，从而使得光栅镜中的反射过程包括使垂直共振模转变成光栅镜的面内PBG模。通过面内PBG模耦合于面内波导，可以提供光至例如SOI/CMOS衬底上的面内光子回路。全部制造过程可以使用成熟的III-V VCSEL技术和硅技术进行。

本发明的这些方面和其他方面会因参考所述实施方式的以下描述显而易见。

附图说明

结合附图对本发明的实施方式以更多的细节描述。所述图显示实施本发明的一种方式并且不得解释为限制落入所附权利要求集的范围内的其他可能实施方式。

图1是根据本发明实施方式在SOI衬底上的混合VCL的示意图解。图1A显示剖面视图(profile view)下的装配结构。图1B、1C和1D从顶视图显示SOI衬底，说明进一步优化的区域和波导的不同实施方式。

图2-7显示光学模配置和增益/电学配置的四种不同配置方案。

图8显示根据本发明实施方式的可调谐混合VCL。

图9-12示意地显示根据本发明实施方式的不同装配方案及制造方案。

图13和14显示根据本发明实施方式的光栅区的不同布局。

图15是来自动态(时域)数字模拟本发明实施方式的画面。

图16A和B显示优化图1B中所指明区域的实例。

具体实施方式

图1A和B显示根据本发明优选实施方式的混和光栅镜垂直腔激光器(VCL)结构以及用于在硅平台上混合光栅镜垂直腔激光器(VCL)结构的方法。

首先，相对于图1A-C而言描述装配的结构和运行原理。图1A中显示混合VCL结构1，其包括一个部分VCL结构2和一个硅平台衬底3。

部分VCL结构2包含一个高度反射性顶部镜4，这里由作为一叠层有不同折射率的交替层的分布布拉格反射镜(DBR)体现。DBR是通常使用的VCSEL顶部镜并且它们的反射率可以精细地调节，并且可以用III-V材料以及其他材料(包括SiO₂)形成。

对于正常的VCSEL，顶部镜充当输出耦合镜并且一般具有高于99％但低于底部镜反射率的反射率。在本发明的混合VCL中，顶部镜不作为输出耦合镜使用并且因此应当是高度反射性的。混合VCL的这种高度反射性顶部镜4优选地具有大于99.5％的反射率，如大于99.9％，如99.95％。应当考虑光栅镜12的反射率、量子阱(QW)中的单程增益(one pass gain)和定向微分量子效率来确定顶部镜4的反射率的最佳值。

部分VCL结构2还包含以III-V材料形成的活性区5。活性区5可以形成为任何可用的VCSEL活性区，并且一般包含一系列外延生长的III-V材料层。常见的设计包括上部和下部配置层和阻挡层，其中，上部和下部配置层之间夹住由交替QW层(例如，对长于＞1.3μm的波长为InAlGaAs或InGaNAs，并且对850-nm波长为GaAs)组成的QW结构6。

在一个实施方式中，部分VCL结构2可以由标准VCSEL结构提供，不包括底部镜并带有高度反射性顶部镜。

在图1A中所示混合VCL的实施方式中，电接触8a和8b正好位于活性区5的上方和下方。这种接触方案叫作腔内接触。在腔内接触的情况下，顶部镜4可以是未掺杂的。根据需要，可以在顶部镜4的顶部上制作电接触8a。这种接触方案叫作腔外接触。在腔外接触的情况下，顶部镜应当适度地掺杂。

获得光学配置和增益配置

在下文中，基于图1-7描述了限定GMVCL中光学增益区的位置和光学模的众多可能方式。未予描述的GMVCL的元件假定与上文相对于图1A和B所描述的那些元件相似。

在图1A中所示混合VCL的实施方式，光学配置由通过质子注入所形成的电流孔提供，从而光学模由热透镜效应限定。被质子注入的区域7变得绝缘，作为电流孔来工作并且限定增益区101。

在图2中所示混合VCL的实施方式中，增益区201由质子注入的区域202限定，同时，光学模由顶部镜4中的电介质孔203限定。该电介质孔优选地通过氧化具有高铝含量的层形成。因而，当制备镜4时，在将要形成电介质孔的位置，形成具有高铝含量的层。

在图3中所示混合VCL的实施方式中，光学增益区301和光学模均由电介质孔303、优选由活性区中形成的氧化物孔限定。对于电介质孔303的形成，优选在上部接触8a和QW区域6之间的层中之一应当具有用于氧化的高铝含量。顶部镜是可以随活性区一起外延生长、晶片键合至活性区或沉积在活性区顶部的未掺杂DBR。

在图4中所示混合VCL的实施方式中，光学增益区401和光学模均由电介质孔403限定。质子注入的区域402有利于高速操作。

在图5中所示混合VCL的实施方式中，光学增益区501由隧道结503限定，同时光学模由隧道结503和热透镜效应限定。在隧道结中，将高度n-掺杂和p-掺杂的薄层放在一起，并且电流仅流经该结。任选地，该实施方式可以具有用于进一步调谐光学配置的腔内空气隙507。

在图6中所示混合VCL的实施方式中，顶部镜是优选随活性区一起外延生长的p-掺杂的DBR。氧化物孔(203)通过氧化用于光学配置和增益配置的高铝含量层形成。该结构可以用GaAs晶格匹配材料实现。

在图7A和B中所示混合VCL的实施方式中，光学配置由DBR的垂直位移部分703提供并且增益配置由质子注入的区域707提供。顶部DBR4在制作浅腔内空气隙以形成垂直位移部分703之后沉积。该结构可以用InP或GaAs晶格匹配材料实现。在InP晶格匹配材料的情况下，P接触层709优选地是高度吸收性InGaAs。为避免不想要的吸收，优选地移除P接触层709的中央部分。在GaAs晶格匹配材料的情况下，不需要这种移除。图7A显示具有低折射率氧化物层15’的混合VCL，和7B显示具有低折射率空气隙15”的混合VCL，所述的低折射率空气隙15”使用氧化物间隔层或台面(mesa)715形成。

硅平台衬底和光栅区

硅平台衬底3优选地是绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)衬底，其由带有支持层9(一般是SiO₂)的硅衬底组成，并具以硅层10为顶层。其他构成是可能的，但是优选硅层由具有较低折射率的层支持，如此处这样。在图1B-D中以顶视图单独显示硅平台衬底3。

在优选的实施方式中，SOI衬底也容纳集成的光子回路和电路。优选地，使用成熟和精确的硅加工技术如互补金属氧化物半导体(CMOS)加工技术形成包括光栅区11的光子回路，与此同时，使用相同的技术形成电路。

在顶部硅层10中形成光栅区11和波导18或19。光栅区11包含由硅层部分13所形成的1D或2D周期性折射率光栅12和在该硅层中形成区域14，区域14具有比该硅层的折射率低的折射率。区域14可以通过移除(例如通过成熟的硅加工技术移除)那些区域中的硅层以形成孔洞来形成。所述孔洞可以留空或可以潜在地以低指数材料填充，如果可以这样做而不破坏硅部分13。在另一个方法中，通过其他方式修饰硅层的这些区域来形成区域14。周期性折射率光栅12的部分13和区域14的图案和周期性稍后将基于图13和14以更多细节描述。

低折射率层

如先前提及，优选硅层10由具有较低折射率的层支持，在本例中是SiO₂层9。类似地，优选硅层10上方的层也具有较低的折射率。优选将光栅区11夹在折射率较低的层之间以增益来自光栅区11的高反射率。

为此目的，硅层10与部分VCL结构2之间的隙15由折射率比硅低的材料填充。在图1A和图9D中所示的实施方式中，这种低折射率隙由氧化物层15’提供。氧化物层15’优选地在装配之前在部分VCL结构2上提供，如在9A图中所示。图9B和9C分别显示键合的晶片的前部和右侧横断面轮廓。在图10D中所示的实施方式中，GMVCL涉及在光栅区11上方形成空气隙15”的构造。这里，该构造可以是环绕光栅区的台面25。如图10A中所示，优选地在装配前在硅层10上提供台面25，目的是在晶片键合期间避免校准。图10B和10C分别显示键合的晶片的前部和右侧横断面轮廓。为了避免迅衰耦合，氧化物层15’或空气隙15”的厚度优选地具有最小厚度λ/2n_gap，其中λ是目的激射波长并且n_gap是氧化物层15’或空气隙15”的折射率。对于具有λ＝1550nm的常见应用，这种最小厚度对氧化物层15’而言是约500nm并且对空气隙15”而言是约780nm。

通过变动氧化物层15’或空气隙15”的厚度，可以改变VCL腔的有效腔长度d_eff。这导致由以下关系决定的激射波长λ的变化：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{top}}+\frac{2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}{d}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{grat}}=2\mathrm{\πN},N=\mathrm{integer}$

这里，

和是来自顶部镜和底部光栅镜的反射相移。n_eff是VCL腔的有效折射率。因而，可以在加工期间可行地选择激射波长λ，这使混合VCL适于多波长源。

光栅镜和波导

被较低折射率层9和15包围的周期性折射率光栅12建立了作为混合VCL的底部镜发挥作用的高折射率对比光栅镜，并且VCL腔因而在周期性折射率光栅12和顶部镜4之间形成。

区域14是优选地大于垂直共振模16的横向延伸部分以提供高反射率。周期性折射率光栅12的厚度可以是硅层10的厚度，但是也可以通过选择性蚀刻光栅区11而变得更小。稍后描述光栅镜关键设计参数，如厚度、周期性和空气填充率的优选值。

支持层9(这里是SiO₂)起到垂直约束光至光栅区11的作用并且因此优选地具有较低折射率。为避免与硅衬底的不利迅衰耦合，该支持层优选地具有最小厚度λ/2n_supp，其中n_supp是支持层的折射率。对于λ＝1550nm处的常见应用并且支持层是SiO₂的情况下，这种最小厚度将是约500nm。

通过所涉及的模来解释底部光栅镜的高反射的起源。涉及的模示意地在图1A和1B中绘出。首先，VCL腔支持用箭头-环16符号表示的垂直共振模。箭头17代表光栅的横向传播的慢光模。这种慢光模是周期性折射率光栅12的本征模(Eigen mode)。模16中的光在入射至该光栅时衍射；一部分衍射的光与模17耦合；处于模17的光耦合返回至模16。这种耦合过程可以带来共振，导致高反射率。取决于设计，该耦合中所涉及的模17的数目可以一个或多个。预期无耦合损失，只要整个光栅区精确地呈现周期性。

如上所述的混合结构发挥在硅平台上在面内模内高效提供光的作用。下文描述耦合慢光模17中的光至横向取向的输出耦合波导并且进一步至硅平台中的光子回路或相似回路。

在图1中所示的优选实施方式中，光与形成于将要与光栅区11连接的硅层10中的折射率对比波导(ICWG)19耦合，优选经过形成在光栅区11内部的中间光栅波导(GWG)18，如图1B中所示。在备选方案中，光与连接于光栅区而形成的ICWG19直接耦合，如图1C中所示。在另一个备选方案中，光仅与光栅区11内部形成的GWG18耦合，如图1D中所示。

GWG18可以由光栅区11的周期性折射率光栅12中的线缺陷构成并且支持横向传播的GWG模20，如1A和1B图中所示。GWG 18应当布置成与活性区101所决定的垂直共振模16的横向延伸部分具有一些重叠，如图1B中的圆形16a所示。随后，一部分光可以从PBG模17取出至GWG模20。GWG18的形状可以为高效取出进行优化。该内容将稍后基于图16进一步描述。

ICWG19是优选地是通过用光刻法和蚀刻法移除部分硅层而在光栅区外部形成的脊波导。ICWG19支持横向传播的ICWG模21并且被布置成在GWG18末端处邻接光栅区。来自GWG18的GWG模20转换成ICWG模21。ICWG19可以连接至硅平台上的光子回路并且形成部分该光子回路。可以为更好的转化效率来优化GWG18和ICWG19之间的连接部分。该内容将基于图16进一步描述。

结构单元

概而言之，在优选的实施方式中，混合VCL 1的结构单元可以包含：

-作为部分VCL结构2的顶部分，具有：

о顶部镜4。该顶部镜可以是所谓分布布拉格镜(DBR)的多层镜或是单层光栅镜。它们可以在活性区顶部外延生长、晶片键合至活性区或在活性区顶部沉积。

о活性区5。该活性区可以是InP或GaAs晶格匹配材料。取决于应用目的，可以使用其他的III-V半导体。

о用于光学配置的手段。光学配置可以以多种方式获得，例如，如基于图1-7描述的垂直位移DBR、氧化物孔和热透镜作用。

о用于增益配置的手段。增益配置可以以几种方式获得，例如，如基于图1-7描述的质子注入、氧化物孔和隧道结。

-低折射率隙15。该低折射率隙可以是氧化物(或其他低折射率材料)或空气。当该隙是氧化物层15’时，优选的是该氧化物隙在键合之前沉积在活性区上，如图11A中所示。在空气隙15”的情况下，优选的是在制作光栅图案之前将间隔层沉积至SOI，如图11A中所示。

-带有光栅区11的硅平台衬底3，如SOI衬底，所述的光栅区11形成：

о硅基光栅镜12，和

о横向输出耦合光栅波导18

-金属接触。金属接触可以是P和N接触或N和N接触，取决于增益配置装置。例如，当注入法或氧化物孔用于增益配置时，应当使用P和N接触。在隧道结的情况下，应当使用N和N接触。取决于设计，顶部接触可以在顶部镜顶部(腔外接触方案)或在活性区顶部(腔内接触)形成。在可调谐激光器中，需要外调谐接触，如图8中所示。任选地，金属接触在高度掺杂的接触层上形成。当活性区由InP晶格匹配材料组成并且需要P金属接触时，P接触层优选是高度吸收性InGaAs。因而，需要移除该层(107)的一部分以避免不想要的吸收，如图7A和B和11D中所示。

各种实施方式显示了可以组合这些结构单元的不同方式。然而，所述的设计不限于这些实施方式，但是任何意其他的组合是可能的，只要它们可以与带有用于输出耦合目的的横向取向的波导的硅基光栅镜混合。

在图8中所示的实施方式中，混合VCL是可调谐混合激光器。顶部光栅镜(806)可以通过施加经调谐接触809的电压或电流，使用静电力(在OpticsExpress 15，1222(2007)中更详细描述)、压电力(在IEEE J.Selected Topics inQuant.Electron.13，374(2007)中更详细描述)或热诱导应力(在IEEE Photon.Technol.Lett.18，688(2006)中更详细描述)而是可移动的。可移动的顶部光栅镜可以用DBR或光栅和DBR的混合体来替换。当调谐空气隙的厚度变化时，也可以变动激光的发射波长。

制造

在下文中，将描述制造根据前文所述某些实施方式的混合VCL的不同实施方式。首先，基于图2描述混合VCL结构1的常规制造。

由于部分VCL结构2基于成熟的VCSEL技术，故认为制造如上文中所述的部分VCL结构2属于在VCSEL制造领域技术人员的能力范围内。类似地，在硅平台衬底3中制造光栅区11基于成熟、精确和便宜的硅加工技术，所述技术一般连同在相同硅平台衬底3上制造电路同时进行。

将部分VCL结构2布置在硅平台衬底3上，从而在(由垂直位移的DBR区域703、由电介质孔、由热透镜效应或由顶部镜4的横向延伸所限定的)GMVCL中的横向光学模配置与光栅区11之间存在重叠。

在混合VCL结构的大部分实施方式中，将图9A中的VCL外延结构2’布置到硅平台衬底3上不涉及任何明显的校准工作。无需为晶片键合进行校准使得以低制造成本大量生产混合VCL成为可能。这个特征随1-7图中所示混合VCL结构的实施方式详细描述。

在图1A中所示混合VCL结构的实施方式中，在晶片键合后在混合VCL的常规加工期间进行质子注入，如图9中所述。可以限定质子注入区域202的位置以与光栅区11和GWG18校准。因而，不需要针对晶片键合的校准工作。

在图2中所示混合VCL结构的实施方式中，在晶片键合后在混合VCL的常规加工期间进行质子注入和氧化。可以限定质子注入区域202和电介质孔203的位置以与光栅区11和GWG18校准。因而，不需要针对晶片键合的校准工作。

在图3中所示混合VCL结构的实施方式中，在晶片键合后在混合VCL的常规加工期间，使用氧化法形成电介质孔。可以限定电介质孔303的位置以与光栅区11和GWG18校准。因而，不需要针对晶片键合的校准工作。

在图4中所示混合VCL结构的实施方式中，在晶片键合后在混合VCL的常规加工期间进行质子注入和针对电介质孔403的氧化。可以限定质子注入区域402和电介质孔403的位置以与光栅区11和GWG18校准。因而，不需要针对晶片键合的校准工作。

在图5中所示混合VCL结构的实施方式中，在部分VCL外延结构2’的外延生长期间通过再生长技术形成隧道结503。当使部分VCL外延结构2’和硅平台衬底键合时，隧道结503与光栅区11和GWG 18校准是需要的。

下文描述基于图7A和B所述混合VCL的制造。这里所述的制造方法可以适用于或由本领域技术人员修改以适用于基于图1-8所述的其他实施方式。

用于图7A的混合VCL的制造流程在11A-E图中显示。如图11A中所示，分别制备带有沉积的氧化物隙15’的活性区5和带有波导18的硅基光栅镜12。随后，将它们进行晶片键合，如11B图中所示。对于增益配置，形成质子注入区域707，如11C图中所示。随后，限定台面，移除高度吸收性P接触层709的中央部分，蚀刻用于形成垂直位移DBR的浅沟704，并且形成金属接触708，如11D图中所示。随后，沉积DBR，如11E图中所示。在晶片键合层次无需校准。全部其他校准精度由对于大部分应用已足够的光刻分辨率来决定。

图12A和B显示用于图7B的混合VCL的制造流程的一部分。该流程相似于图11A-E中描述的流程，除了在活性区5上不沉积低折射率氧化物层，而代之以在衬底3上形成台面715以产生低折射率空气隙15”(12B)。

光栅区-特性和仿真

在图1B、13和14中显示光栅区11的周期性折射率光栅12的不同的1D、2D及改良2D图案。在全部三种情况下，图案应当是周期性的以具有本征模。如14图中所示，根据需要，可以制作看起来古怪的单一图案的形状。

从理想设计的观点看，重要事项在于那种图案产生想要的PBG模色散和所得镜特征。从制造的观点看，需要考虑薄光栅层结构的力学稳定性、制造可行性和制造成本来选择图案。

光栅镜的周期性、厚度、折射率和空气填充率决定光栅镜层PBG模的色散。在下文中，列出光栅镜的前述设计参数的可能范围。也可以使用任何其他值，如果它导致想要的本征模色散。

1D或2D光栅图案的周期性是从0.4λ至0.8λ的范围，其中λ是目的激射波长。

光栅层的光学厚度可以是从0.6λ至1.6λ的范围。层的光学厚度定义为该层的物理厚度乘以该层的折射率。

空气填充率是从20％至70％的范围。空气填充率定义为一个光栅周期的面积(13+14)当中空气(或其他低折射率材料)面积14的份数。

进行了本发明实施方式的功能的数字仿真。图15显示来自这种动态仿真的时帧，其中白色和黑色分别表示高和低电磁(EM)场强度。所仿真装置的设计与3图中所示的设计相似，并且图15还显示部分VCL结构2、光栅区11和ICWG 19在硅层中的大致位置。

如可以见到，存在从垂直激射模(图1A中的16)至ICWG模(图1A中的的21)的合理耦合。

如先前提及，可以进一步优化光从周期性光栅区12中的PBG模17至GWG 18中GWG模20的取出以减少不希望的耦合损失。可以拓扑地优化图1B中的连接部分28以最小化因光栅周期性破坏所致的散射损失。可以优化GWG 18的形状，使得GWG模20的色散应当与PBG模17的模相似，以更好地模匹配。从GWG 18中的GWG模20至ICWG 19中ICWG模21的模转换的效率也可以通过拓扑优化图1B或C中的连接部分30加以最大化。拓扑优化的示意性实例在图16中显示。图16A和16B分别显示优化之前和之后的连接部分30。

这种拓扑优化的实例在例如L.Yang等人，Electronic Letters，13，第923页(2007)中描述，其中报道了5dB传输改善。

虽然已经联系所述的实施方式描述本发明，但不应以任何方式解释为限于所提出的实例。本发明的范围将在附带的权力要求集中解释。在所述权利要求的语境下，术语“包含”或“包括”不排除其他可能的要素或步骤。同样，对称谓如“a(一个)”或“an(一种)”等的提及不应当解释为排除复数。指代符号在权利要求中基于附图中所示要素的使用也不得解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求项中提供的各个特征可能可以有利地组合，并且这些特征在不同权利要求项中的提及不排除特征的组合不是可能的和有利的。

参考文献

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●IEEE Photon.Technol.Lett.18，688(2006)

●L.Yang，等人，Electronic Letters，13，第923页(2007)

Claims (14)

1.使用硅平台中的底部光栅镜在硅平台上混合垂直腔激光器(VCL)结构的方法，该方法包括：

提供分层结构，该分层结构包括由III-V材料形成的活性区和不作为输出耦合镜使用并且具有大于99.5％的反射率的高度反射性顶部镜；

在被具有较低折射率的层支持的硅层中形成光栅区，该光栅区包含由硅层部分形成的一维(1D)或二维(2D)周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；

在硅层中形成波导，所述波导被设置为促进来自光栅区的光横向输出耦合于该波导；并且

在光栅区上布置所述分层结构，包括在该分层结构与该光栅区之间提供折射率比该硅层的折射率低的层，从而周期性折射率光栅构成底部光栅镜，以在顶部镜和光栅区之间形成VCL腔。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括引发VCL腔中的激射和将来自VCL腔的光耦合于光栅区的横模。

3.根据权利要求2所述的方法，其中硅层中所形成的波导包含光栅波导(GWG)，该方法还包括将来自光栅区的横模的光耦合于GWG的导模。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中硅层中所形成的波导包含在光栅区外部形成的集成平面折射率对比波导(ICWG)，该方法还包括将来自光栅区的光耦合于ICWG的导模。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中通过控制所述分层结构与所述光栅区之间的较低折射率层的厚度来控制VCL腔的有效腔长度d_eff以及激射波长λ。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中将VCL的光学增益区的位置限定在光栅区上的分层结构之后。

7.混合垂直腔激光器(VCL)结构，包括：

-分层结构，该分层结构包括由III-V族材料形成的活性区和不作为输出耦合镜使用并且具有大于99.5％的反射率的高度反射性顶部镜；和

-在被具有较低折射率的层支持的硅层中形成的光栅区，该光栅区包含由硅层部分形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；

-在该硅层的光栅区的顶部提供的、具有比该硅层的折射率低的折射率的层；

其中分层结构布置在光栅区上，从而周期性折射率光栅构成了底部光栅镜，以在顶部镜与光栅区之间形成VCL腔，该底部光栅镜也促进在VCL腔的模中的光耦合于光栅区的面内模，和

-在该硅层中形成波导，所述波导被设置为促进来自光栅区的光耦合于该波导。

8.根据权利要求7所述的混合VCL结构，其中在分层结构与光栅区之间的较低折射率层是在分层结构上形成的氧化物层。

9.根据权利要求7所述的混合VCL结构，其中在分层结构与光栅区之间的较低折射率层包含空气，并且其中当分层结构布置在光栅区之上时，分层结构包含一个或多个台面以形成空气隙。

10.根据权利要求7-9任一项所述的混合VCL结构，其中硅层中所形成的波导包含在该硅层内形成的光栅波导(GWG)，该GWG被布置为促进来自光栅区的光耦合于GWG。

11.根据权利要求10所述的混合VCL结构，其中设计GWG的几何形状，以使得GWG的模的模色散相似于或绝热地变换成周期性折射率光栅模的模色散。

12.根据权利要求7-11任一项所述的混合VCL结构，其中硅层中所形成的波导包含在光栅区外部的硅层中形成并被布置以促进来自光栅区的光耦合于ICWG的集成平面折射率对比波导(ICWG)。

13.带有横向取向的波导的硅基光栅镜，包括：

-被具有较低折射率的层支持的硅层；

-光栅区，包含由硅层部分所形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；

-至少部分光栅区，用于形成光栅镜，来正常反射入射光并且使入射光正常耦合于光栅区的面内模；和

-在硅层中形成的波导，所述波导被设置为促进来自光栅区面内模的光耦合于该波导。

14.分层结构和用于接受该分层结构的硅层：

-该分层结构包括由III-V族材料形成的活性区和不作为输出耦合镜使用并且具有大于99.5％的反射率的高度反射性顶部镜；

-该硅层被具有较低折射率的层支持，并且包含：

о光栅区，包含由硅层部分形成的1D或2D周期性折射率光栅以及在该硅层中形成的并且具有比该硅层的折射率低的折射率的区域；和

о在硅层中形成的波导，所述波导被设置为促进来自光栅区的光耦合于该波导；

其中分层结构或光栅区至少之一包含或涉及这样的构造，即当分层结构设置在光栅区之上时，所述构造将在该光栅区上方提供折射率比该硅层的折射率低的层。

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