CN110176718A - 一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，包括激光器和SOI波导，所述激光器包括：P型波导层，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；有源区，设置于P型波导层之上，用于增益发光；N型限制层，设置于有源区之上，用于限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极，设置于N型限制层之上，用于生长外延材料及载流子的注入；所述SOI波导，设置于所述激光器之下，与激光器通过键合技术或BCB胶合成一整体，形成复合激光腔。

Description

一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构
技术领域
本发明涉及硅光子集成领域中的核心光源，尤其涉及一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构。
背景技术
半导体激光器具有输出功率高、体积小、重量轻、泵浦效率高等优点，尤其是半导体边发射激光在硅基通讯中作为光源有重要的应用。
为了便于激光器在硅基混合集成上的应用，在要求半导体激光器为单纵模的同时，还要求半导体激光器输出的激光能量更多的耦合到硅波导当中。
为了使半导体激光能够耦合到硅波导当中，目前大约有三种方案，其一为在硅波导上直接生长III-V族有源材料，由该有源材料产生的激光通过消逝波耦合的方式进入到硅波导中，形成硅波导输出激光，此方案中的一个核心技术是基于硅材料的异质III-V族材料的生长，由于晶格失配大，导致外延生长的有源材料中存在高密度缺陷的瓶颈问题。
为攻克上述难题，现有技术需要采用生长几微米的厚缓冲层，才能够获得高质量的有源区，然而，厚达几微米的缓冲层将阻断III-V族中激光向硅波导中耦合，因此，目前这个技术方案仍在攻关中，人们的目标是获得在薄缓冲层上生长出高质量的外延材料，尚未见高性能的硅基混合集成硅波导输出激光。其二是III-V族边发射半导体激光器直接端面耦合到硅波导中，此种方法需要精确调控激光器与波导的相对位置，使激光器和Si波导端面精确对准，同时要保证模式匹配，获得高的端面耦合效率，该技术方案有多家光电子集成技术公司采用，其典型的问题为难以实现多激光器阵列耦合。其三是通过键合或BCB胶的方法，即把III-V族材料直接键合到SOI上，基于消逝波耦合理论，将产生的单模激光通过消逝耦合经硅波导输出，该方案的典型问题是耦合效率低，特别是对硅材料的厚度有较高的要求，不利于在硅光子集成中其他器件，如调制器、探测器等高频特性的实现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，以至少部分解决现有方法中存在的晶格失配大，多激光器阵列耦合实现难度大以及对硅材料的厚度有较高的问题，同时实现较高的耦合效率。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，包括激光器A1和SOI波导A2，所述激光器A1包括：P型波导层A6，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；有源区A5，设置于P型波导层A6之上，用于增益发光；N型限制层A4，设置于有源区A5之上，用于限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极A3，设置于N型限制层A4之上，用于生长外延材料及载流子的注入；所述SOI波导A2，设置于所述激光器A1之下，与所述激光器A1形成复合激光腔。
在进一步的方案中，所述激光器A1的材料为III-V族材料。
在进一步的方案中，所述SO1波导A2包括：衬底硅A9；二氧化硅层A8，设置于衬底硅A9之上；顶层硅A7，设置于二氧化硅层A8之上，激光器A1之下。
在进一步的方案中，所述激光器A1与SOI波导A2使用键合技术或BCB胶粘的方式合成为一个整体。
在进一步的方案中，所述激光器A1的激光模式分布的波长位于900nm-2000nm波段，该激光器利用高阶横模的分布耦合进入所述SOI波导A2中，所述高阶横模为一阶横模至二十阶横模。
在进一步的方案中，所述P型波导层A6的厚度设计需满足两个条件，一是基模电场峰值完全扩展到P型波导层A6或P型波导层A6以下的SOI波导A2，使有源区内A5基模限制因子很低，基模无法激射，二是使高阶横模在有源区A5内有一个峰值保证高阶横模的激射，同时在SOI波导A2中也有一个电场场强峰值保证较高的耦合效率。
在进一步的方案中，所述有源区A5包括单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
在进一步的方案中，所述P型波导层(A6)采用MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)工艺制备，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
由于P型波导层的设计，使基模电场峰值完全扩展到P型波导层或P型波导层以下SOI波导区域，使有源区内基模限制因子很低，并且一阶模式或更高阶模式在有源区内有一个峰值保证高阶模式的激射，高阶模式在SOI波导中也有一个峰值，耦合进SOI波导中的光场强度远高于利用消逝波耦合进SOI波导的光场强度。此外一阶横模或更高横模在界面处场强分布小也会降低界面损耗，从总体效果来看提高了耦合效率。
同时，本发明比传统的利用消逝波耦合的硅基混合激光器在垂直方向上有更大的间距，这样会降低工艺难度，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构的示意图。
图2为图1所示结构的各横模在外延方向电场强度分布图。
图3为图1所示结构输出混合集成激光一阶横模在侧向场强分布和普通消逝波耦合博导输出场强分布示意图。
【附图标记说明】
激光器-A1、N型衬底层及N面电极-A3、N型限制层-A4、
有源区-A5、P型波导层-A6，
SOI波导-A2、顶层硅-A7、二氧化硅层-A8、衬底硅-A9
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，利用一阶横模或更高阶横模在半导体激光器和SOI波导各有一个峰值，且在界面处场强分布小带来的界面损耗小，同时，激光器发出的光能更多的耦合到SOI波导中，从而有较高的耦合效率，此外，本发明比传统的利用消逝波耦合的硅基混合激光器在垂直方向上有更大的间距，降低工艺难度。
图1为本发明实施例一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构的示意图，如图1所示，包括激光器A1和SOI波导A2，其中，所述激光器A1包括；P型波导层A6，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；有源区A5，设置于P型波导层A6之上，用于增益发光；N型限制层A4，设置于有源区A5之上，用于限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极A3，设置于N型限制层A4之上，用于生长外延材料及载流子的注入。
请再参阅图1，SOI波导A2，设置于激光器A1之下，所述SOI波导A2包括：衬底硅A9；二氧化硅层A8，设置于衬底硅A9之上；顶层硅A7，设置于二氧化硅层A8之上，激光器A1之下，在本实施例中，激光器A1与SOI波导A2使用键合技术或BCB胶粘的方式结合。
在本实施例中，激光器A1的材料为III-V族材料，该激光器A1利用高阶横模的分布耦合进入SOI波导A2中，所述高阶横模为一阶横模至二十阶横模，此外，激光器A1的激光模式分布的波长位于900nm-2000nm波段。
此外，在本实施例中，有源区A5包括单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
较佳地，所述P型波导层A6的厚度设计需满足两个条件，一是基模电场峰值完全扩展到P型波导层A6或P型波导层A6以下的SOI波导A2，使有源区A5内基模限制因子很低，二是使高阶横模在有源区A5内有一个峰值保证高阶横模的激射，同时在SOI波导A2中也有一个峰值保证较高的耦合效率。
在本实施例中，所述P型波导层(A6)采用MOCVD工艺制备，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
在本实施例中，激光器A1内有源区A5产生光源，N型限制层A4限制光场向N型区的扩展；N型衬底层及N面电极A3生长外延材料及载流子的注入，P型波导层A6，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射，激光器(A1)内基模电场峰值完全扩展到P型波导层A6或P型波导层A6以下SOI波导S2区域，此时，有源区内A5基模限制因子很低，基模无法激射，同时高阶横模在有源区A5内有一个电场场强峰值，保证了高阶横模的激射。
图2为图1所示结构的各模式在外延方向电场强度分布图，如图2所示，基模在有源区A5的限制因子很低，不会产生激射，一阶横模在有源区A5的限制因子最高，会优先进行激射。
图3为图1所示结构输出混合集成激光一阶横模在侧向场强分布和普通消逝波耦合博导输出场强分布示意图，其中实线为一阶横模侧向场强分布，虚线为普通消逝波耦合波导输出场强分布，如图3所示，一阶横模两个峰一个在激光器A1中，另一个在SOI波导A2中，SOI波导A2中场强强度明显大于普通利用消逝波耦合的SOI波导中场强强度，极大的提高了耦合的效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高阶横模波导输出的混合集成激光器芯片结构，包括：
激光器(A1)，包括：
P型波导层(A6)，用于限制基膜激射、产生高阶横模激射以及使光场向P型区扩展；
有源区(A5)，设置于P型波导层(A6)之上，用于增益发光；
N型限制层(A4)，设置于有源区(A5)之上，用于限制光场向N型区的扩展；
N型衬底层及N面电极(A3)，设置于N型限制层(A4)之上，用于生长外延材料及载流子的注入；
SOI波导(A2)，设置于所述激光器(A1)之下，与所述激光器(A1)形成复合激光腔。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，激光器(A1)的材料为III-V族材料。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述有源区(A5)包括单量子阱、多量子阱、量子点或超晶格结构，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述激光器(A1)利用高阶横模的分布耦合进入所述SOI波导(A2)中，所述高阶横模为一阶横模至二十阶横模。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述激光器(A1)与SOI波导(A2)使用键合技术或BCB胶粘的方式合成为一个整体。
6.根据权利要求1所述的结构，其中，所述激光器(A1)的激光模式分布的波长位于900nm-2000nm波段。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述SOI波导(A2)包括：
衬底硅(A9)；
二氧化硅层(A8)，设置于衬底硅(A9)之上；
顶层硅(A7)，设置于二氧化硅层(A8)之上，激光器(A1)之下。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述激光器(A1)与SOI波导(A2)形成的复合激光腔中基模电场扩展到型波导层(A6)或P型波导层(A6)以下的SOI波导(A2)中。
9.根据权利要求8所述的结构，其中所述激光器(A1)与SOI波导(A2)形成的复合激光腔中高阶横模电场在有源区(A5)和SOI波导中产生一个峰值。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述P型波导层(A6)采用MOCVD工艺制备，制备材料包括GaN、GaAs、ALGaAs、InP、GaInP、GaInAsP、AlGaInP或GaSb。
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