CN105305229A - 高耦合效率电注入集成硅基激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：硅衬底、绝缘层、大模斑半导体有源芯片、顶层硅和低折射率层，硅衬底的上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部，绝缘层设置在硅衬底的常规部上；大模斑半导体有源芯片设置在硅衬底的刻蚀部上；顶层硅设置在绝缘层的上表面；低折射率层设置在顶层硅上表面的靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧。本发明，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

Description

高耦合效率电注入集成硅基激光器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体涉及高耦合效率电注入集成硅基激光器。

背景技术

随着全球数据通信业务量的急剧增加，人们对计算机系统的运算速度提出了更高的要求，这其中就包含对微处理芯片运算速度、信息传输速度和集成度要求的提高。但随着芯片尺寸的减小，芯片间的信息传输速度受限于电子器件的RC(resistance-capacitance,阻容)效应，系统的整体功耗也逐渐增加。因此，传统的电互连方式逐渐成为高速计算机系统整体性能提升的瓶颈。光互连的提出与发展为解决这一难题提供了有效途径。

光互连技术主要包括InP(IndiumPhosphide,磷化铟)基光互连和硅基光互连。相比于InP基光互连，硅基光互联具有材料价格低廉和与CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的优点，具有很大的市场应用前景，但硅基集成激光光源是硅基光互连技术进一步发展面临的最大的难题之一。目前集成硅基激光器的方案包括同质集成(如硅纳米结构、硅基稀土离子掺杂和硅受激拉曼效应等)、异质外延以及混合集成三种。其中，同质集成方案面临着需要光泵浦和发光效率低等问题，而异质外延方案工艺还不够成熟，器件综合性能不高，因此混合集成方案成为研究人员的理想选择。

硅基混合集成激光器分为硅基键合激光器和硅基倒装焊激光器。相比于键合激光器，倒装焊激光器直接采用了成熟的半导体有源芯片，具有输出功率和转换效率高、波长可调以及性能稳定等优点。但是，倒装焊激光器最大的问题在于半导体有源芯片和硅基芯片之间光耦合损耗过大，这主要是因为有源芯片和硅基芯片的模场尺寸和模场分布不匹配造成的。另外，在光耦合时，两个芯片之间的对准容差很小，因此对芯片对准和焊接工艺的要求很高，不利于工业上大批量生产。降低硅基倒装焊激光器的光耦合损耗，提高有源芯片与硅基芯片之间的对准容差是目前硅基倒装焊激光器亟需克服的一个难题。

光耦合损耗的降低一方面与有源芯片和硅基芯片的模斑匹配程度有关，另一方面也与光束在耦合过程中的发散程度有关。模场分布越匹配，模斑尺寸越大，耦合损耗就越低。对准容差则直接与模斑尺寸相关，模斑尺寸越大，对准容差越大。因此，为降低激光器的耦合损耗并提高对准容差，应该增大半导体有源芯片输出的模斑尺寸。传统的大模斑输出的半导体有源芯片，为降低光场在P型层的吸收损耗，输出模斑都是非高斯分布，这不利于与模斑为高斯分布的硅基波导耦合，设计出基横模高斯分布大模斑输出的半导体有源芯片是提高硅基倒装焊激光器输出功率和效率的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的硅基倒装焊激光器的光耦合损耗大、有源芯片与硅基芯片之间的对准容差小的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：

硅衬底，上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；

设置在所述硅衬底的常规部上的绝缘层；

设置在所述硅衬底的刻蚀部上的大模斑半导体有源芯片；

设置在所述绝缘层上表面的顶层硅；

设置在所述顶层硅上表面靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧的低折射率层；

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述大模斑半导体有源芯片为叠层结构，倒置在所述硅衬底的上表面，包括：

N型电极；

N型衬底，设置在所述N型电极的上表面；

N型限制层，设置在所述N型衬底的上表面；

N型波导，设置在所述N型限制层的上表面；

有源层，设置在所述N型波导的上表面；

P型限制层，设置在所述有源层的上表面；

P型盖层，设置在所述P型限制层的上表面，所述P型限制层和P型盖层整体刻蚀形成一凸起的波导结构和两凸起的台面部，其中，所述波导结构由凸起的脊型部和凸起的输出波导对接而成，所述波导结构的两侧各有1个所述台面部；

电绝缘层，设置在所述波导结构与邻近的所述台面部之间以及所述台面部的上表面；

P型电极，设置在所述电绝缘层以及所述波导结构的上表面。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述顶层硅包含模斑变换器、定向耦合器、微环谐振器和反射镜，所述模斑变换器的输入端与所述输出波导的输出端对准，所述定向耦合器设置在所述模斑变换器的输出端，所述反射镜与所述定向耦合器之间设有所述微环谐振器。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述低折射率层覆盖在所述模斑变换器的上表面，其折射率在空气折射率和硅材料折射率之间。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述输出波导可以是直波导、倾斜波导或弯折波导等，其输出端与所述模斑变换器的输入端对准。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述有源层为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述N型波导的厚度至少为λ，其中λ为硅基激光器在真空中的激射波长。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述电绝缘层的材料为SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述模斑变换器是反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。

在上述高耦合效率电注入集成硅基激光器中，所述微环谐振器和所述反射镜挑选的腔谐振波长位于所述有源层的增益谱范围内。

本发明，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的侧视图；

图2为本发明的顶视图；

图3为本发明的大模斑半导体有源芯片的输出截面图；

图4为现有技术中典型商用半导体有源芯片输出的近场图；

图5为本发明中大模斑半导体有源芯片输出的近场图；

图6为现有技术中典型商用半导体有源芯片与模斑变换器的耦合效率与对准偏差的关系；

图7为本发明中大模斑半导体有源芯片与模斑变换器的耦合效率与对准偏差的关系。

具体实施方式

本发明提供了高耦合效率电注入集成硅基激光器，结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高。下面结合具体实施例和说明书附图对本发明予以详细说明。

如图1、图2及图3所示，本发明提供了一种高耦合效率电注入集成硅基激光器，为叠层结构，包括：硅衬底1、绝缘层2、大模斑半导体有源芯片3、顶层硅4和低折射率层5。

硅衬底1的上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；绝缘层2设置在硅衬底1的常规部上，大模斑半导体有源芯片3设置在硅衬底1的刻蚀部上；顶层硅4设置在绝缘层2的上表面；低折射率层5设置在顶层硅4的上表面的靠近大模斑半导体有源芯片3的一侧。

大模斑半导体有源芯片3为叠层结构，倒置在硅衬底1的上表面，包括：N型电极301、N型衬底302、N型限制层303、N型波导304、有源层305、P型限制层306、P型盖层310和电绝缘层311。

N型衬底302设置在N型电极301的上表面，N型限制层303设置在N型衬底302的上表面，N型波导304设置在N型限制层303的上表面，有源层305设置在N型波导304的上表面。P型限制层306设置在有源层305的上表面；P型盖层310设置在P型限制层306的上表面；P型限制层306和P型盖层310整体刻蚀形成一凸起的波导结构和两凸起的台面部309，其中，波导结构由凸起的脊型部307和凸起的输出波导308对接而成，每个波导结构的两侧各有1个凸起的台面部309；电绝缘层311设置在波导结构与邻近的台面部309之间以及台面部309的上表面；P型电极312设置在电绝缘层311以及波导结构的上表面。

N型波导304的厚度大于或等于硅基激光器在真空中的激射波长λ；有源层305采用的结构为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。脊型部307的宽度需要满足大模斑半导体有源芯片3输出单横模的条件。输出波导308可以是直波导、倾斜波导或弯折波导等。电绝缘层311的材料为SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

顶层硅4包含模斑变换器41、定向耦合器42、微环谐振器43和反射镜44，模斑变换器41可以是反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列等；微环谐振器43和反射镜44挑选的腔谐振波长位于有源层305的增益谱范围内。模斑变换器41的输入端与输出波导308的输出端对准，定向耦合器42设置在模斑变换器41的输出端，反射镜44与定向耦合器42之间设有微环谐振器43。低折射率层5覆盖在模斑变换器41的上表面，其折射率在空气折射率和硅材料折射率之间，其宽度和高度需要小于一定的范围以保证单横模特性。

实施例一

模斑变换器41上覆盖的低折射率层5为SiO₂，宽度和厚度均为6μm。半导体有源芯片有以下两种设置：

一种是典型的商用半导体有源芯片，有源层两侧的波导总厚度为0.6μm，脊型部宽度为5.5μm，输出近场分布如图4所示。近场在快轴和慢轴方向1/e²宽度分别为1.01μm和5.09μm，为椭圆形光斑；

另一种是大模斑半导体有源芯片，有源层附近的输出波导308厚度为5μm，脊型部307宽度为5.5μm，输出近场分布如图5所示。近场在快轴和慢轴方向均为类高斯分布，其1/e²宽度分别为4.07μm和4.88μm，光斑形状更接近圆斑。

图6和图7分别显示了计算得到的典型商用半导体有源芯片及大模斑半导体有源芯片3和模斑变换器41的耦合效率随对准偏差的变化。其中，Dx和Dy分别为慢轴和快轴方向的对准偏差。由图可知，当Dx和Dy都为零时，两类芯片的耦合效率都达到最大值。其中，大模斑半导体有源芯片3的最大耦合效率为82.1％，比典型商用半导体有源芯片的最大耦合效率40.7％高一倍多，从而极大地降低了硅基激光器的损耗，提高了激光器的效率。这是由于大模斑半导体有源芯片3输出的光斑为1/e²宽度较大的圆斑，能够与模斑变换器41的模式很好地匹配。另外，耦合效率降低1dB时对应的耦合偏差D(1dB)是衡量对准工艺容差的重要参数，D(1dB)越大，工艺的容差越大。从图6和图7可以看出，典型商用半导体有源芯片在快轴方向的容差Dx(1dB)为0.90μm，而大模斑半导体有源芯片3在快轴方向的容差Dx(1dB)为1.12μm，比前者增大了24％，这也要归功于大模斑半导体有源芯片3输出的大尺寸圆斑分布对光耦合特性的改善。

以上模拟和分析表明：大模斑半导体有源芯片3能够显著降低硅基集成激光器的损耗并提高其效率，而微环谐振器等元件既实现了光反馈选模，又实现了电-热的隔离，整个激光器结构紧凑，有利于实现高性能和高稳定性的硅基激光的输出。

本发明，由于大模斑半导体有源芯片采用了大尺寸的耦合波导设计，芯片的耦合和转换主要发生在较厚的N型波导层304和较宽的脊型部307内，因此能够输出大尺寸高斯分布光斑，并高效地耦合到模斑变换器中，经过微环谐振器和反射镜形成腔振荡，最终在输出波导中输出高功率单模的激光。

采用大模斑半导体有源芯片输出的大尺寸类高斯分布光斑，与模斑变化器输入端的模斑尺寸和分布非常匹配，从而降低了有源芯片和模斑变换器之间的耦合损耗，提高了集成激光器的效率。

由于大模斑半导体有源芯片具有较厚的N型波导层304和较宽的脊型部307，因此输出的光斑为尺寸较大的基横模，其发散角(尤其是快轴)相对于典型商用半导体有源芯片要小很多，因此对大模斑半导体有源芯片和模斑变换器之间的间距以及对准偏差的要求就降低了，从而降低了芯片倒装工艺的复杂度。

利用有源芯片外部的硅基微环谐振器和反射镜来实现激光器的纵模选择和波长调谐，使得激光器的单纵模性能更加稳定。选择纵模的微环谐振器设置在无源的硅衬底上，与大模斑半导体有源芯片分离，既避免了谐振器制作工艺对有源芯片发光性能的影响，同时也避免了有源芯片上热耗散造成温度上升和非均匀分布对谐振单元折射率的扰动，使得激光器的光谱性能更加稳定，也容易实现窄线宽。

本发明，具有直接高效输出单模激光的优点，且结构紧凑，工艺简单，效率高，稳定性高，可商用化，在光互联、光通信、光谱测定以及光遥感等领域中具有广阔的应用前景。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，为叠层结构，包括：

硅衬底，上表面设有常规部和经过刻蚀的刻蚀部；

设置在所述硅衬底的常规部上的绝缘层；

设置在所述硅衬底的刻蚀部上的大模斑半导体有源芯片；

设置在所述绝缘层上表面的顶层硅；

设置在所述顶层硅上表面靠近所述大模斑半导体有源芯片的一侧的低折射率层。

2.如权利要求1所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述大模斑半导体有源芯片为叠层结构，倒置在所述硅衬底的上表面，包括：

N型电极；

N型衬底，设置在所述N型电极的上表面；

N型限制层，设置在所述N型衬底的上表面；

N型波导，设置在所述N型限制层的上表面；

有源层，设置在所述N型波导的上表面；

P型限制层，设置在所述有源层的上表面；

P型盖层，设置在所述P型限制层的上表面，所述P型限制层和P型盖层整体刻蚀形成一凸起的波导结构和两凸起的台面部，其中，所述波导结构由凸起的脊型部和凸起的输出波导对接而成，所述波导结构的两侧各有1个所述台面部；

电绝缘层，设置在所述波导结构与邻近的所述台面部之间以及所述台面部上表面；

P型电极，设置在所述电绝缘层以及所述波导结构的上表面。

3.如权利要求2所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述顶层硅包含模斑变换器、定向耦合器、微环谐振器和反射镜，所述模斑变换器的输入端与所述输出波导的输出端对准，所述定向耦合器设置在所述模斑变换器的输出端，所述反射镜与所述定向耦合器之间设有所述微环谐振器。

4.如权利要求3所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述低折射率层覆盖在所述模斑变换器的上表面，其折射率在空气折射率和硅材料折射率之间。

5.据权利要求3所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述输出波导是直波导、倾斜波导或弯折波导，其输出端与所述模斑变换器的输入端对准。

6.如权利要求2所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述有源层为量子阱、量子线或量子点，采用的材料为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料或Ⅱ-Ⅵ族半导体材料，增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。

7.如权利要求2所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述N型波导的厚度至少为λ，其中λ为硅基激光器在真空中的激射波长。

8.如权利要求2所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述电绝缘层的材料为SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃。

9.如权利要求3所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述模斑变换器是反锥形波导、三叉戟波导或反锥形波导阵列。

10.如权利要求3所述的高耦合效率电注入集成硅基激光器，其特征在于，所述微环谐振器和所述反射镜挑选的腔谐振波长位于所述有源层的增益谱范围内。