CN103636084B - 激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于硅平台上的光电路的光源。通过在半导体结构或晶片结构中的硅层中形成包括活性材料的光栅区，由布置在两者均充当反射镜的第一反射镜结构和第二反射镜结构之间的增益区形成垂直激光腔。用于从反射镜的区域接收光的波导在反射镜的区域内形成或被连接到该区域，并充当用于VCL的输出耦合器。从而，垂直激光模式被耦合到形成于硅层中的平面内波导的横向平面内模，并且能够向例如在硅中的SOI或CMOS基板上的光子电路提供光。

Description

激光器
技术领域
本发明涉及光学通信领域，并且特别地其涉及使用半导体激光器的高速光学通信。甚至更具体地，本发明涉及适合于在硅芯片中或到硅芯片的光学互连中使用的半导体激光器。本发明还涉及一种制造激光器的方法和一种当在使用中时对激光器进行调制的方法。
背景技术
在近程光学互连应用中，构建块器件的低能量消耗以及高传输速度正在随着数据传输带宽增加而变成关键技术问题。因此，品质因数是每发射位的能量消耗。根据在[[96]]中提供的最近技术发展蓝图，在2015-2020年对于芯片级光学互连的光发射器而言要求几10s fJ/位。
作为光发射器，垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是优选现有解决方案中的一个。这是因为其制造技术是成熟的，并且其能量消耗由于其小的活性材料体积而比边缘发射激光器的小得多。为了发送位信号，应对光发射器的输出光强进行调制。存在对输出光强进行调整的两种方式：直接调制和间接（或外部）调制。在这两种方法之中，直接调制更容易实现，因为外部调制方法需要外部调制器。
在直接调制方案中，对到激光器的电流注入进行调制。这导致输出光的强度调制。在[[97]]中报告了现有技术结果。传输速度为35Gb/s，排除RF驱动器电路的能量消耗是12.5mW，并且发射波长是980nm。357fJ/位（=12.5mW/35Gb/s）的已示出的每位能量是异常小的，但对于上述应用而言是不够的。这种方法的弱点是难以进一步增加速度或减少能量消耗：激光二极管的速度由其本征响应和电路响应决定。本征速度由与弛豫振荡频率fr成比例的本征频率响应的-3dB带宽定义：
f r ∝ I - I th V p - - - ( 1 )
其中，I是注入电流，Ith是阈值电流且Vp是模体积。为了获得较高的本征速度，注入电流需要较高，同时模体积优选地较小。在已示出的VCSEL中，模体积不太可能进一步减小。这是因为决定模体积的其横向模尺寸和有效腔长度难以进一步减小。在已示出的VCSEL中，3μm的氧化孔径在合理光学损耗的情况下已是最小的。如果将氧化孔尺寸减小至3μm以下以获得较小的模体积，则光学损耗急剧地减增加，导致较高的Ith。在等式（1）中，较高的Ith减小速度。关于注入电流，如果增加电流以获得较高本征速度，则其将导致较高的能量消耗。另一方面，如果减小电流以获得较小的能量消耗，则其将导致较慢的本征速度。因此，基于常规VCSEL结构，难以同时地进一步增加速度并减少能量消耗。还应考虑到高注入电流对小体积激光器的长时间稳定性是有害的。与电路响应有关的速度主要由激光器结构的串联电阻和电容决定。在已示出的VCSEL中，这些寄生项已被严格地抑制。因此，不能预期与寄生项有关的速度方面的显著改善。
如上文所讨论的，3μm的横向模尺寸在合理光学损耗的情况下已是最小的。在VCSEL中，有效腔长度是标称腔长度与到分布式布拉格反射器（DBR）中的场穿透的和。由于需要包括用于光发生的有源区的具有一定厚度的光学腔，所以也不能显著地减小有效腔长度。
因此，在当前已知解决方案中，存在对直接调制VCSEL结构的速度和能量消耗上的限制。为了获得超过现有技术每位能量值的进一步改善，需要创新的激光器结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型半导体激光器，其与目前被用于近程光学互连的半导体激光器相比能够增加半导体激光器的速度和/或减少其能量消耗。本发明的目的还有提供一种用于调制半导体激光器的新型方法和基于该新型半导体激光器的新型光学互连。
本发明的仍另一目的是提供一种用于制造能够克服现有技术对调制速度和能量消耗的上述和目前感知的根本限制的半导体激光器的方法。
本发明的另一目的是示出用于通过使用基于根据本发明的第一方面的新型半导体激光器的光学互连来将光子电路互连的技术的改进。
在本发明的以下方面中意图获得上述目的和多个其他目的。
在本发明的第一方面中，提供一种包括腔的激光器，该腔由在基板上的半导体层中形成的第一镜像结构和第二镜像结构限定并且被布置成支持沿着垂直于基板平面的振荡轴的光振荡。第一镜像结构采取在第一半导体材料层中形成的光栅的形式，并且在第一镜像结构内提供活性增益材料。提供了用于通过活性增益材料来汲取电流的电接点以促进激光发射。
在一个实施例中，第一半导体材料层包括III-V半导体材料。
在另一实施例中，第一半导体材料层包括II-VI半导体材料。
在仍另一实施例中，第一半导体材料层包括Si/Ge量子阱。
第一镜像结构和第二镜像结构分别地充当激光器结构的第一反射器和第二反射器。
在上文和下文中，“增益材料”或“活性材料”指定诸如量子点、量子导线以及量子阱等材料，在那里产生光。“有源区”表示增益（或活性）材料以及周围区域或层，诸如掩埋式异质结构（BH）或分别限制异质结构（SHC），载流子（电子和空穴）被显著地集中在那里。
本发明的基本思想因此是具有活性（增益）区的激光器被嵌入或掩埋在例如光栅的镜像结构中。这减小了光模和有源区的体积，意味着比现有激光二极管更高的调制速度和更低的能量消耗。制造过程步骤与成熟的VCSEL制造技术类似。下面，将描述许多其他方面、示例性实施例和可选特征或元件。在适当的情况下，可以将相对于一个实施例或方面所述的特征或元件与其他实施例或方面组合或应用于其他实施例或方面。例如，还可以将相对于有源光栅激光器所应用的结构和功能特征用作相对于用于通过适当的自适应来调制或制造有源光栅激光器的方法的特征，并且反之亦然。并且，由本发明人实现的本发明的根本机制的说明是出于说明的目而提供的，并且不应事后分析中使用以便推导本发明。
在根据本发明的第一方面的激光器的示例性实施例中，第二镜像结构是周期性无源光栅。
在根据本发明的第一方面的激光器的其他示例性实施例中，具有增益材料的第一镜像结构是周期性有源光栅。在本文中应将有源光栅理解为包括一个或多个有源区的光栅。
在根据本发明的第一方面的激光器的某些实施例中，将第二结构提供为分布式布拉格反射器（DBR）。
能够将周期性或近周期性光栅设计成提供宽带高反射率谱，即，例如在150nm的波长范围内高于99.9。在本发明中，有源光栅激光器的第一光栅应是具有嵌入光栅内的活性材料元件的有源光栅。第二光栅可以是没有任何活性材料的无源光栅或常规DBR。
在某些实施例中，第一镜像结构和/或第二镜像结构包括具有调制周期性的光栅，其中，该光栅被配置成用于使由光栅反射的光场聚焦。这样，可以获得腔中的光的横向限制。
光栅还可以是非周期性的。能够将两个非周期性光栅设计成在其周围提供强谐振和强场限制。在这种情况下，强谐振和场限制只有当其被接近地放在一起时才发生。独立的单个光栅可能不具有高反射率。因此，在那种情况下，需要第一光栅和第二光栅两者。它们中的至少一个应包括活性材料元件。
在某些实施例中，第一镜像结构或第二镜像结构中的一个是非周期性光栅或包括非周期性光栅，第一镜像结构和第二镜像结构被布置成共同地支持光场中的谐振。
在根据本发明的第一方面的激光器的示例性实施例中，用于通过活性增益材料汲取电流的电接点位于与看起来与所述振荡轴垂直的活性增益材料的相对侧上的第一镜像结构中。
在根据本发明的第一方面的激光器的另一示例性实施例中，用于通过活性增益材料来汲取电流的电接点包括形成第一镜像结构的一部分且分别地垂直地位于活性增益材料层上面和下面的p和n掺杂接触区。
在根据本发明的第一方面的激光器的其他示例性实施例中，第二镜像结构由硅层中周期性折射率光栅区形成，并且在硅层中形成了波导，该波导具有在第二镜像结构的光栅区内或邻接该光栅区形成的端部以促进光从第二镜像结构到波导的耦合。
在根据本发明的第一方面的激光器的仍其他示例性实施例中，一个或多个镜像结构包括在一个或两个维度上形成光栅区的周期性布置穿孔。在某些实施例中，可以用填充介质来填充该穿孔，使得折射率在垂直于所述振荡轴的方向上在光栅区中周期性地改变。
在根据本发明的第一方面的激光器的示例性实施例中，增益材料被布置在半导体材料层中，并且使得增益材料层不与穿孔中的填充介质接触。
在根据本发明的第一方面的激光器的仍其他示例性实施例中，增益材料层被结构化成避免各区域毗邻穿孔。
在根据本发明的第一方面的激光器的某些示例性实施例中，增益材料层的各部分毗邻穿孔，但是通过沉积在穿孔中的表面上的电介质材料与填充介质分离。
在根据本发明的第一方面的激光器的示例性实施例中，增益材料是量子点、量子导线或量子阱结构。
在根据本发明的第一方面的激光器的示例性实施例中，增益材料是量子点、量子导线或包括在BH结构中的量子阱结构。
可以以延伸通过层结构的限定区域（称为光栅区）的孔的形式来提供穿孔。可以用空气或具有基本上不同于层结构的折射率的任何其他材料来填充穿孔。光栅区可以包括由在半导体材料层中形成且具有比半导体材料层的折射率低得多或高得多的折射率的半导体材料层部分和区域形成的一维（1D）或二维（2D）光栅。
在第二方面，本发明提供了一种用于提供调制激光的方法，包括提供根据本发明的第一方面的激光器并在电接点之间施加调制电压偏置以对激光器的激光动作进行调制。
在根据本发明的第二方面的方法的示例性实施例中，接收一个或多个数字调制电数据信号并根据数据信号的读数字调制来执行电压偏置的调制（和结果得到的电流的调制），通常在每秒几十千兆位范围的范围内。
在根据本发明的第二方面的方法的示例性实施例中，增益材料和第一光栅被设计成支持以预定波长在激光器中发射激光并以预定波长提供第一光栅的反射，该反射基本上独立于在电接点之间施加的电流。
在本发明的第三方面，提供了一种光学互连，其包括根据本发明的第一方面的一个或多个激光器，用于基于接收的电数据信号而产生光数据信号。
光学互连可以在一个或多个集成电路（诸如电子设备的中央处理单元）上或之间实现。此类光学互连具有不提供串扰、更高的传输带宽、可行时钟、针对长于几百微米的距离的较低能量消耗的优点。与用于光学互连的现有技术相比，根据本发明的光学互连涉及较高可获得数据速率和较低功率消耗的优点。
在第四方面，本发明提供了一种用于在硅平台上使半导体激光器杂化的方法，该方法包括以下步骤：在硅基板上提供第二反射镜结构。然后，将基于III-V半导体的外延结构晶片结合到图案化硅基板上。外延结构提供有用于第一反射镜结构的层以及牺牲层。形成金属接点和用于该接点的相应注入区。将包括活性材料的第一反射镜结构图案化，并最终去除牺牲层。
能够用诸如SiO2的低折射率材料来替换牺牲层。在这种情况下，在晶片结合之前将此低折射率材料沉积到III-V外延结构上，并且此III-V外延结构不包括牺牲层。
在某些实施例中，低折射率材料具有约2或以下、诸如约1.6或以下、或者甚至诸如约1.5或以下的激光器的工作波长下的折射率。这样，可以在低折射率材料与第一镜像结构之间实现相对高的折射率差。高折射率差可以改善第一镜像结构的对比度，例如以常常加宽结构的反射率带宽；可获得高于99.9%的反射率的情况下的>100nm的带宽。
因此，在第五方面，本发明提供了一种在硅平台上使半导体激光器杂化的方法，该方法包括以下步骤：在硅基板上提供第二反射镜结构的各区域。将低折射率材料沉积到III-V外延结构上，形成第一反射镜层。外延结构被晶片结合到硅基板上。形成金属接点和用于该接点的相应注入区。将光栅形式的第一反射镜结构图案化，其中，此第一反射镜结构包括活性材料。
在根据本发明的第四和第五方面的方法的示例性实施例中，提供第二反射镜结构的步骤包括将第二光栅图案化，而在其他替换中，将第二反射镜结构提供为DBR。
在根据本发明的第四和第五方面的方法的进一步示例性实施例中，提供第二反射镜结构的步骤可以包括提供波导以便将光从激光器结构耦合出来的步骤。可以在图案化过程中提供波导。在这种情况下，光将在波导中可用于平面集成光子电路。在其他替换中，可以将光从半导体结构的表面直接耦合到空气中，使得光在半导体结构的顶面上可用。
本发明相比于应用嵌入光学腔中的有源区的现有技术常规VCSEL[[97]]而言具有以下优点：
与常规VCSEL相比，根据本发明的有源光栅激光器将具有小例如10分之一的光模体积Vp和例如5分之一个的活性材料体积。光模和活性材料的这些较小体积能够提供较高调制速度和较低功率消耗。
较高可获得调制速率：根据等式（1），可预期有源光栅激光器的最大可获得调制速度例如比常规VCSEL的高3倍（≈101/2），条件是诸如微分增益、内部效率以及寄生电路分量的其他条件与常规VCSEL的那些类似。
较低功率消耗：达到阈值载流子密度所需的注入电流与活性材料体积成比例。因此，与注入电流成比例的能量消耗能够比常规VCSEL的小5倍，条件是有源光栅激光器的阈值材料增益与常规VCSEL的类似。
然后，有源光栅激光器的每位能量能够理想地比目前已知的VCSEL的小15倍。这对应于几10sfJ/位的每位能量值，而现有技术VCSEL的通常为几100s fJ/位（参考Ref[[97]]）。
有源光栅激光器的基本结构是由在基板上的层中形成的两个反射器形成的腔，并且其被布置成支持两个反射器之间或周围的强场谐振和限制。场限制的典型尺寸在从子波长至几波长的范围内。光振荡轴垂直于基板，即在周期性光栅的情况下是垂直的。可以用不具有垂直腔的分层结构来形成其他激光器类型，诸如边缘发射激光器。这些激光器是基于具有平面内振荡轴的非常不同的设计，并且沿着振荡轴的场限制的典型尺寸是几百个波长。其因此代表着与本发明不同的技术领域。在本发明的优选实施例中，激光器通过充当反射镜的底部（第二）光栅将辐射向外垂直地耦合到空气中或横向地耦合到平面内波导，使得这些实施例中的激光器分别地是垂直腔表面发射激光器（VCSEL，特定的一组VCL）或垂直腔平面内发射激光器。其他类型的激光器可以是表面发射而不是垂直腔激光器（VCL），例如如果向外耦合是基于来自腔的散射光的发射的话[[99]]。
反射器的波长相关反射率、两个共同非周期性光栅的波长相关谐振以及活性材料被选择成如在本领域中作为习惯的那样支持在预定波长下在有源光栅激光器中发射激光，典型波长在650nm-2000nm之间，常常约为850nm、980nm、1050nm、1310nm或1550nm。
在本发明的各种方面的各种实施例中，第一光栅是周期性有源光栅，而第二光栅可以是周期性无源光栅。在垂直发射型激光器中，发射光栅具有约99.5%的典型反射率，而非发射光栅具有99.9%的典型反射率。有源或无源光栅能够是具有比另一光栅低的反射率的发射光栅。
在本发明的各种方面的各种实施例中，第二光栅可以由硅层中的周期性折射率光栅区形成，并且可以在激光器的硅层中形成波导，具有在第二光栅的光栅区内或邻接该光栅区形成的波导的端部以促进光从光栅区域到平面内波导的耦合。这具有提供到硅层中的平面内波导的直接、低损耗耦合的优点。
在根据本发明的第一方面的激光器的任何实施例中，增益材料可以是在半导体材料层内定位或形成的量子点、量子导线和/或量子阱。并且，在根据本发明的第一方面的激光器的任何实施例中，增益材料可以被保持在半导体材料内、被其包围、被嵌入其中和/或被掩埋在其中。此宿主材料可以是平面层或BH结构，这取决于增益材料的类型和电流注入方法。也称为活性材料的增益材料通常由III-V半导体材料制成。
量子阱、量子导线以及量子点分别地具有一维、二维和三维结构，具有5-15nm的特性尺寸。量子阱能够由被夹在具有较宽带隙的两个层（例如AlAs）之间的薄半导体材料层（例如GaAs）在层结构中形成。量子导线和量子点分别地能够由导线状和点状半导体在层结构中形成。这些结构可以例如通过分子束外延或金属有机汽相处延来生长。
优选地避免增益材料与穿孔中的空气之间的接触，以便在通过增益材料汲取电流时避免空气活性材料界面处的不期望的表面重组。这可以以许多不同的方式来实现。在一个实施例中，在外延生长期间将包括增益材料的层形成为是BH结构。在生长包括增益材料的层之后，仅保留层的期望部分并通过蚀刻来去除其余部分。通过考虑穿孔尺寸、形状和位置来确定此图案化尺寸、形状和位置。然后，对样本进行再生长。通常，再生长部分具有掺杂的特定组合以促进到包括增益材料的层的电流注入。在完成再生长之后，外延样本表面可能需要抛光以使得表面光滑。当我们通常通过蚀刻来制作穿孔时，通过精确的对准，我们能够防止掩埋的活性材料暴露于空气。当增益材料是量子阱时，本实施例是尤其适当的。在另一实施例中，毗邻穿孔的增益材料层的各部分已被沉积在穿孔内部的电介质材料覆盖。当增益介质是量子阱时，本实施例是尤其适当的。
在本发明的各种方面的各种实施例中，可以有用于通过增益材料汲取电流的电接点的不同配置。电接点可以是形成层结构的一部分的p和n掺杂层，并且分别地位于保持增益介质的半导体材料层的上面和下面。在现有技术VCL中，将掺杂层形成为至少将腔且通常是整个激光器结构夹在中间。在本发明的激光器中，掺杂层仅将充当反射镜的光栅的相对薄的半导体材料层夹在中间。由于p/n掺杂层是层结构的一部分，于是也将通过形成光栅区的周期性穿孔来通常对p/n掺杂层进行穿孔。
电接点可以位于或形成于层结构中，优选地在与增益介质层相同的层中，在嵌入式活性/增益介质的相对侧，如在层的平面中看到的。然后通过增益区水平地汲取电流。
根据本发明的激光器中的电限制也与在现有技术VCL中不同。优选地，仅在第一光栅的中心部分中提供增益介质。
在例如[[98]]中能够找到充当供在VCSEL中使用的反射镜的二维（2D）光栅的示例。本发明以多个方式不同于参考文献[[98]]的结构，其中之一是在本发明中，有源区在光栅中的一个中形成，而在参考文献[[98]]中，包括有源区的腔位于光栅之间。然而，在本描述中自始至终对VCSEL技术进行广泛参考，因为该技术被视为最接近现有技术。
本发明是特别有利的，因为其应用通常显示出优良的单模性质和模式控制的成熟的VCSEL技术。此外，VCSEL技术的使用允许不复杂的封装。
根据参考所述实施例的以下描述，本发明的以上方面及其他方面将是显而易见的。
附图说明
现在将参考附图来更详细地描述本发明的实施例。附图示出了实现本发明的一个方式，并且不应理解为局限于落在所附权利要求范围内的其他可能实施例。
图1A-1E是包括近周期性有源光栅反射镜和周期性无源光栅反射镜的垂直腔平面内发射激光器的示意图。
图1A是平面内发射激光器的顶视图。
图1B是沿着图1B中的线A1-A2的横截面图。
图1C是沿着图1B中的线B1-B2的横截面图。
图1D是沿着图1B中的线C1-C2的横截面图。
图1E是沿着图1B中的线D1-D2的横截面图。
图2是包括近周期性有源光栅反射镜和周期性无源光栅反射镜的垂直腔表面发射激光器的横截面图。
图3是包括两个非周期性光栅的垂直腔表面发射激光器的横截面图。
图4是包括有源光栅反射镜和DBR的垂直腔表面发射激光器的横截面图。光模分布主要由浅表面蚀刻定义。
图5是包括有源光栅反射镜和DBR的垂直腔表面发射激光器的横截面图。光模分布主要由氧化孔定义。
图6是电接点的替换配置的横截面图。
具体实施方式
在图1A-1E中图示出根据本发明的激光器的示例性实施例。在图1B中示出了沿着图1A的线A1-A2的横截面器件结构。
通过首先一起考虑图1A和1B，将最好地理解本发明的基本结构。该激光器结构包括有源光栅区15、空气腔25以及无源光栅区35。有源光栅区15和无源光栅区35通常被放置在空气腔25的每侧上以形成谐振结构，其形成激光腔。有源光栅15和无源光栅35两者可以是周期性光栅且充当高反射性反射镜。光栅15、35通常在与半导体结构的平面平行的方向上是周期性的。
可以对有源光栅15的周期性进行空间调制以使得反射光聚焦。这导致横向光学限制。能够将两个光栅中的两者或任一者设计成具有聚焦的反射光。出于此目的，能够逐渐地对诸如占空因数、厚度、周期性、形状等的光栅参数进行调制。
有源光栅15在III-V半导体层10中实现且在有源区12中包括活性元素。III-V半导体层10接近于牺牲蚀刻层20。牺牲蚀刻层20可以是III-V半导体层。可以例如通过选择性地蚀刻该蚀刻层而在有源光栅和无源光栅之间形成气隙25。在牺牲蚀刻层20的相对侧，存在晶片30的硅（Si）层31。Si层31通过掩埋的氧化层32与晶片的大部分（bulk）30分离。无源光栅35在Si层31中实现。无源光栅35被邻近于平面内Si波导36布置，从而允许光从激光器结构到波导36的耦合。
包括在有源区12中的活性材料可以是量子阱的形式。在这种情况下，为了避免表面重组，有源区12可以是BH结构，或者可以用不导电材料来使穿孔12的侧壁钝化。活性材料可以是量子点的形式。在这种情况下，有源区12不必是BH，其也不要求表面钝化，因为用于量子点的表面重组率是相当低的。能够采用任何其他相关和已知活性材料，并且将根据激光器设计来决定采用BH。在本实施例中，腔25是空气，但是能够使用诸如SiO2的任何其他低折射率材料。低折射率材料应优选地在激光器的工作波长下具有小于约2的折射率。在使用低折射率材料而不是空气的情况下，能够在结合之前将此层沉积到III-V外延结构上。由于此III-V外延结构不包括牺牲层20，所以不需要牺牲蚀刻以形成气隙25。
在有源区12内产生光且其在充当反射镜的两个光栅15、35之间的腔25中谐振。入射到无源光栅反射镜35上的光的一部分例如通过耦合机制被路由（耦合）到平面内输出波导36。此路由光因此在与半导体结构的层平行的平面内的方向上作为光发射70可用于平面光子电路，并且可以用于光子电路之间的光学互连。被连接（耦合）到输出波导的无源光栅35的反射率可以由于光发射和耦合损耗而是99.5%，而有源光栅15的反射率可以例如高达99.9%。
通过与图1A一起考虑图1D和1E，可以看到通过在波导36的每侧制作一对沟槽37来形成输出波导36。通常可以与波导36平行地提供沟槽37。
现在转到图1C，使用沿着图1A中的线B1-B2的横截面图示出如何可以在光栅中（例如大致在光栅区的中间）嵌入有源区12。有源区12通常可以具有在光栅线的方向上最长的细长形式。图1C还图示出如何可以经由接触区11和13将载流子输送至有源区12。接触区11和13分别是p和n掺杂的。可以通过注入来提供掺杂。结果，能够通过金属接点1和2来供应电流以激活有源区12。
在图2中示出了根据本发明的第一方面的激光器的另一示例性实施例。本实施例类似于图1A-1E中的示例，但不同之处在于光发射270在垂直于形成激光器的半导体结构的各层的方向上发生。在本实施例中，可以将光直接耦合到半导体材料外部的空气体积以便传输到其他光子电路或传输到外部光学波导中。相应地，不存在平面内输出波导。因此，按照应用的要求，能够在垂直自由空间发射与平面内波导之间选择光输出方向。制造的步骤将类似于图1A-1E中所示的实施例，不同的是不需要形成波导36和沟槽37。
在图3中示出了根据本发明的第一方面的激光器的仍一示例性实施例。在本实施例中，光栅区15和35是非周期性的。单个光栅区15或35单独地不具有高反射率。但是，当其被接近地放在一起时，在光栅15、35的中心周围可能发生强谐振和场限制。可以将光横向地耦合到平面内输出波导16，从而向平面光子电路提供光。类似于图2中所示的实施例，在本实施例中还可以有垂直发射。制造的步骤与用于图1A-1E中所示的实施例的相同。
在图4中示出了根据本发明的第一方面的激光器的另一示例性实施例。在本实施例中，将第二镜像结构提供为DBR430。周期性有源光栅15和DBR430充当激光器的两个镜像结构。周期性光栅15具有高反射率。光在垂直于半导体结构的平面的方向上、即在图4上的箭头470的方向上发射。通过提供一个或多个沟槽431能够获得光模限制。如果如在图1A中对光栅参数进行空间调制以导致弯曲的反射波前，则能够在没有一个或多个沟槽431的情况下获得横向光学限制。
在形成一对沟槽431之前向基板440上形成DBR，如图4上所示。然后，如在本发明的其他方面中那样，将包括层10和20的III-V外延晶片结合，并且其余处理步骤类似于图1A-1E中所示的实施例。
在图5中示出了根据本发明的第一方面的激光器的仍另一示例性实施例。本实施例与图4中所示的实施例相同，不同的是光学限制的方法略有不同。在本实施例中，在制造过程期间将DBR530的一个层531氧化，从而限定完成的激光器结构中的氧化孔（未氧化区）532。由于中心未氧化区532具有高于氧化部分的折射率，所以光模将在氧化孔532的直径内被横向限制。制造流程与图4中的实施例类似，不同的是作为制作沟槽431的替代，需要将层531氧化。
根据本发明的第四方面的在硅支撑体上使激光器杂化的示例性方法如下：首先，例如通过形成波导沟槽37执行诸如到诸如第二光栅15和波导36的Si上的所有图案化。然后，将包括光栅层10和牺牲层20的III-V外延结构被晶片结合到图案化SOI晶片30。然后，完成注入并形成金属接点1和2。然后，能够执行第一光栅15的图案化和牺牲层的去除。图1B中的拐角区18旨在帮助防止薄膜光栅层10向下弯曲或塌陷。根据制造可行性，可以按照不同顺序来执行处理步骤。
图6示出了对应于图1C中所示的那个的横截面，但是具有电接点的替换配置。因此，在这里将仅讨论两个实施例之间的差异。在这种情况下，电接点包括布置在活性增益材料区12上的p掺杂接触层611和布置在有源区12下面的n掺杂接触层613。n和p掺杂接触层形成第一镜像结构的一部分。可以将n和p掺杂接触层的垂直位置互换。在本实施例中，金属接点1和2还可以位于如在各层的平面中所看到的活性增益材料区的相对侧上。
模/光学限制
已知可用于限定VCL中的光模的位置的许多已知技术，也称为模限制或光学限制。由于根据本发明的实施例的激光器具有与已知VCL的不同之处在于其保留有源区的反射镜结构，所以讨论最适合于根据本发明的各种实施例的激光器的光学限制技术是相关的。
在其中采用至少一个周期性且高度反射光栅的实施例中，在保持高反射率的同时在空间上改变光栅参数以导致聚焦波前能够在横向方向上限定光模。在这种方法中，从两个反射器的高反射率得到垂直限制。在具有两个周期性和高反射光栅的实施例中，能够将光栅参数的空间调制应用于光栅中的一者或两者。这种空间调制光栅方法还能够应用于具有周期性和高反射光栅和DBR的实施例。在其中采用两个非周期性光栅的实施例中，两个光栅被共同地设计成导致强垂直和横向场限制。在这里，“周期性”光栅包括具有空间调制的近周期性光栅。在其中采用DBR的实施例中，DBR能够具有导致横向光学限制的沟槽或氧化孔。
增益/电流限制
多种增益材料以及许多已知技术用于限定增益介质中的光学增益区的位置（通常称为电流限制）。作为负责光发生的“增益材料”，能够采用量子点、量子导线以及量子阱。对于横向载流子限制而言，能够采用BH结构、隧道结或氧化孔。关于接触层，其能够垂直地或横向地形成。“垂直地”意指位于有源区上面和下面的两个接触层。通常在外延生长期间提供掺杂。“横向”意指位于光栅中的相同或基本上相同的垂直位置上的两个接触区，如图1C中所示。该掺杂通常通过注入来完成。
应用
根据本发明的激光器能够以低能量消耗提供高调制速度。然而，由于小的模体积，输出功率并不那么高。因此，这些激光器对于近程光学互连而言是非常适当且吸引人的。
虽然已结合指定实施例描述了本发明，但不应将其理解为以任何方式局限于提出的示例。将根据所附权利要求要解释本发明的范围。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能元件或步骤。并且，不应将诸如“一”或“一个”等参考的提及理解成排除多个。不应将权利要求中的相对于在图中指示的元件的附图标记的使用理解为限制本发明的范围。此外，可以将在不同权利要求中的单独特征有利地组合，并且这些特征在不同权利要求中的提及并不排除特征的组合是不可能且有利的。
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Claims (23)

1.一种激光器，包括：
腔(25)，其由在硅基板(30)上的第一和第二半导体材料层(10、31)中形成的第一镜像结构(15)和第二镜像结构(35)限定并且被布置成支持沿着垂直于所述硅基板(30)的平面的振荡轴的光振荡，
第一镜像结构(15)，其为在第一半导体材料层(10)中形成的光栅的形式；
活性增益材料，其在所述第一镜像结构(15)内被提供；以及
电接点，其用于通过所述活性增益材料汲取电流以促进激光发射，其中
用于通过所述活性增益材料施加电流的电接点被定位在所述活性增益材料的相对侧上的第一镜像结构中。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述第一半导体材料层包括III-V半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第一镜像结构包括周期性主动式光栅。
4.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第二镜像结构是周期性无源光栅或包括周期性无源光栅。
5.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第一镜像结构或所述第二镜像结构是非周期性光栅或包括非周期性光栅，并且所述第一镜像结构和第二镜像结构被布置成共同地支持光场中的谐振。
6.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第二镜像结构被提供为分布式布拉格反射器DBR(430)。
7.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，用于通过所述活性增益材料汲取电流的电接点包括p和n掺杂接触区层，其形成第一镜像结构的一部分且被分别地垂直定位在所述活性增益材料层的上面和下面。
8.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，用于通过所述活性增益材料汲取电流的电接点包括p和n掺杂接触区层，其形成第一镜像结构的一部分并被横向地定位在所述活性增益材料的相对侧上。
9.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第二镜像结构(35)由硅层中的周期性或非周期性折射率区形成，并且在所述硅层中形成波导，所述波导具有在第二镜像结构内形成或邻接第二镜像结构形成的端部以促进光到波导的耦合。
10.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述第一镜像结构和/或第二镜像结构包括在一个或两个维度上形成光栅区的周期性或非周期性布置的穿孔。
11.根据权利要求10所述的激光器，其中，用填充介质来填充所述穿孔，使得折射率在垂直于所述振荡轴的方向上在所述光栅区中周期性地或非周期性地改变。
12.根据权利要求11所述的激光器，其中，所述增益材料在半导体材料层中，并且其中，所述增益材料并不与所述穿孔中的填充介质接触。
13.根据权利要求12所述的激光器，其中，包括增益材料的层被结构化成从而避免各区域毗邻穿孔。
14.根据权利要求13所述的激光器，其中，所述增益材料层的各部分毗邻穿孔，但是通过沉积在穿孔中的表面上的电介质材料与所述填充介质分离。
15.根据权利要求1或2所述的激光器，其中，所述腔还包括在所述第一镜像结构与所述第二镜像结构之间的低折射率区，所述低折射率区包括低折射率材料。
16.根据权利要求15所述的激光器，其中，所述低折射率材料是空气。
17.根据权利要求15所述的激光器，其中，所述低折射率材料具有2或以下的折射率。
18.根据权利要求15所述的激光器，其中，所述低折射率材料具有1.6或以下的折射率。
19.根据权利要求15所述的激光器，其中，所述低折射率材料具有1.5或以下的折射率。
20.一种提供调制激光的方法，所述方法包括：
—提供根据前述权利要求1-19中的任一项所述的激光器；以及
—在电接点之间施加调制电压偏置以对激光器的激光动作进行调制。
21.一种包括一个或多个根据前述权利要求1-17中的任一项的激光器以便基于接收到的电数据信号而生成光数据信号的光学互连。
22.一种用于在硅平台上使半导体激光器杂化的方法，该方法包括以下步骤：
—在硅基板(30)上提供第二镜像结构(35)的各区域，
—将包括第一半导体材料层(10)和牺牲层(20)的III-V外延结构晶片结合到图案化的硅基板(30)上，
—形成包括金属接点(1、2)的电接点和用于电接点的相应注入区，
—以光栅的形式将第一镜像结构(15)图案化，所述第一镜像结构包括活性增益材料；以及
—去除牺牲层。
23.一种用于在硅平台上使半导体激光器杂化的方法，该方法包括步骤：
—在硅基板(30)上提供第二镜像结构(35)的各区域，
—向III-V外延结构上沉积低折射率材料，形成第一半导体材料层(10)，
—将外延结构晶片结合到所述硅基板(30)上，
—形成包括金属接点(1、2)的电接点和用于电接点的相应注入区，
—以光栅的形式将第一镜像结构(15)图案化，所述第一镜像结构包括活性增益材料。
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