CN110277731B - 一种iii-v族硅基低折射率缝隙结构dbr激光器及集成方法 - Google Patents

一种iii-v族硅基低折射率缝隙结构dbr激光器及集成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种III‑V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器及集成方法，属于激光器技术领域，激光发光装置从上而下包括有源层、硅层、二氧化硅衬底，有源层包括矩形端和梯形端，梯形端的长边与矩形端相连，矩形端和梯形端一体制造；硅层为矩形条，硅层一端设有开口通槽，开口通槽的底部设有凸脊，凸脊的水平投影为梯形，凸脊的长边与开口通槽的底部连接。光正向传输时从有源层耦合至硅层，引入低折射率双斜劈结构，配合有源层尾部为近锥形的梯形结构，实现有源层和硅层的相互耦合，整个耦合区长度小于5μm，最小可达到3μm，理论耦合效率大于99％，尺寸远小于同类激光器结构，可实现器件小型化。

Description

一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器及集成方法
技术领域
本发明涉及一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器及集成方法，属于激光器技术领域。
背景技术
随着信息技术的快速发展，电子元件已经不能满足人们对于数据处理能力的需求，因此光通信替代传统的电子通信系统是近年来电子领域发展的主要方向，而激光器作为光集成系统的光源，在相关的研究中扮演了至关重要的角色。
基于硅材料的硅光子集成可以利用成熟的互补氧化物半导体(CMOS)制造工艺进行大规摸加工。在光互连技术和硅基片上集成发展背景下，硅基光源成为了其中主要的研究热点之一。由于硅是间接带隙材料，自由电子和空穴在体硅材料中产生辐射复合需要声子的辅助，与III-V族等直接带隙材料相比发光效率要低很多(内量子效率10-6)，但是由于硅基材料的低损耗、高折射率差以及十分成熟的CMOS工艺技术，使得研究人员还是不遗余力的坚持在硅基材料上通过与其他发光材料的集成，制作出低成本、高性能的硅基混合集成激光器。
将发光材料集成到硅基平台上的方式主要包括同质集成、异质外延和III-V/Si混合集成三种方案。同质集成的方法主要包括在硅材料上制作纳米结构、掺入稀土离子以及利用受激拉曼效应三种，但大多面临着发光效率偏低、需要光泵浦等问题。异质外延是在硅衬底上通过一系列技术手段生长出晶体质量较好的半导体材料。目前，外延生长的材料包括直接带隙的III-V族和间接带隙的Ge，但在实用化方面还面临着无法室温连续激射、阈值过大和可靠性不足等难题。III-V/Si混合集成可以根据结构和工艺的不同分为III-V/Si键合激光器和倒装焊激光器。通过范德瓦尔兹力等化学、物理机制或金属焊接将III-V族有源材料、SOI(绝缘体上硅)以及键合辅助材料紧密贴合在一起。相比较于前两种集成方式，III-V/Si混合集成无论是设计上还是工艺上都较为成熟，正逐步走向产业化。混合集成中较常见的耦合方式如锥形结构，其耦合区长度一般在几十至百微米量级，不利于器件小型化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种新型的单模硅基DBR激光器结构，尤其是一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器以及其集成发光方法。旨在解决如何在有源区将光局域在有源层内，使目标频率的光在谐振时停留在有源材料中，被充分放大；如何实现光在有源层和硅层间的相互耦合，尽量少的产生反射，同时尺寸小于同类结构。
本发明的技术方案如下：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，从上而下包括有源层、硅层、二氧化硅衬底，
有源层包括矩形端和梯形端，梯形端的长边与矩形端相连，矩形端和梯形端一体制造；
硅层为矩形条，硅层一端设有开口通槽，开口通槽的底部设有凸脊，凸脊的水平投影为梯形，凸脊的长边与开口通槽的底部连接。
根据本发明优选的，硅层厚度和宽度尺寸选为220nm*500nm，用以保证硅层光的单模传输。
进一步优选的，有源层宽度可为2-3μm，厚度可为1-2μm。有源层中基模能量大部分集中在截面的中心区域，因截面尺寸过大而出现的高阶模一般不参与激光的产生。
根据本发明优选的，硅层的凸脊的长边与有源层的梯形端短边在同一竖直平面内。即水平投影中硅层凸脊长边与有源层梯形短边在一条直线上。
进一步优选的，有源层的水平方向的中轴线与硅层的水平方向的中轴线位于同一竖直平面内。即水平方向投影上，有源层的尾部和硅层凸脊的起始位置一致、且二者中轴线重合，其他参数条件相同的情况下，该种设计的耦合效率最高。实际制造中相对位置允许偏差，并不能做到完全对称、对齐，位置偏差带来的影响使耦合效率相应降低。
进一步优选的，有源层梯形端短边与长边之间的距离大于硅层的凸脊长度。
根据本发明优选的，有源层梯形端的短边和硅层凸脊的短边均为100nm。上下两个梯形结构结合硅层凸脊两侧的低折射率斜劈挤压和限制光场，实现光在上下层间的相互耦合。理论上将光场从一种材料中完全耦合至另一种材料应选用锥形结构，即水平投影为三角形的结构，但实际情况中锥形结构在尖端处会产生很大的反射，且无法严格的工艺中实现，因此选用短边为100nm的梯形结构，在保证耦合效率较高的前提下减小尖端处产生的反射，同时提高了该结构在实际制造中的可用性。
根据本发明优选的，硅层的凸脊的长边为耦合区和无源区的分界，凸脊长边面向凸脊的一侧为耦合区，耦合区的长度为凸脊的长度，凸脊长边另一侧为无源区，以1550nm波长的光为例，在硅层上表面刻蚀有光栅，光栅位于硅层无源区，刻蚀接在耦合区之后。光栅长165μm，周期0.3222μm，刻蚀深度0.006μm，对1550nm波长的光反射率达到90％以上。通过设计光栅结构反射特定波长λ0(例如1550nm)的光，形成谐振腔，实现单波长发光。
进一步优选的，光栅远离耦合区的一端镀有高透膜。所述高透膜是激光器常用的全频段的透过率99％以上的透膜，激光器在沿光的传播方向(横向)上主要分为三个部分：有源区，耦合区，无源区。有源层左侧为反射端面一般为截断面，不需要涂层，仅作为谐振腔的一端和激光器的出光口；光栅右端面需要镀高透膜，以此保证光栅右端的截面不引入相移，光栅反射谱中心波长对准λ0。
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器的集成发光方法，包括步骤如下：对有源层注入电流产生光信号，光经耦合区耦合至硅层，无源区的光栅结构将目标波长λ0的光反射，与有源层远离耦合区一侧的反射端面形成谐振腔，使该频率的光谐振放大，最终形成激光出射。除λ0波长以外的光不会被光栅反射。
根据本发明优选的，硅层的开口通槽内填充有折射率小于有源层和硅层的低折射率材料，所述低折射率材料为空气或苯并环丁烯(BCB)等低折射率材料。
本申请需要将光局域在有源层内：有源层经电流注入产生并放大光信号，因此我们希望光在有源区内停留在有源层传播，以充分放大目标波长(λ0)的光信号。本申请中有源层材料使用的是III-V族材料，而有源层材料折射率小于硅，二者直接接触时光会自动耦合至硅层，因此在有源区的硅层中设计了低折射率材料的缝隙结构。当该材料的折射率远小于有源层和硅层时(例如折射率为1的空气，或其他低折射率填充材料，如BCB等)，可在有源区将光局域在有源层内，同时不影响光在硅层的传播。整体结构简单，工艺上易于实现。本发明中的优选结构以空气为例，当材料不为空气时结构不便，但对整体结构的影响在于：该材料的折射率越高，与有源层材料折射率差越小，则对光场局域的效果越差，会导致结构透射效率下降，耦合区长度增加。
硅层与有源层间的耦合过程为：光正向传输时需从有源层耦合至硅层，波长λ0的光经光栅反射反向传输时，需要从硅层耦合至有源层。因此引入低折射率双斜劈结构，配合有源层尾部为近锥形的梯形结构，实现有源层和硅层的相互耦合。经优化设计，整个耦合区长度小于5μm，最小可达到3μm，理论耦合效率大于99％，尺寸远小于同类激光器结构，可实现器件小型化。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用III-V/Si混合集成方式，通过优化耦合结构和低折射率材料局域光场的方式，在有源区应用低折射率材料的缝隙结构将光场局域在III-V族材料中，在耦合区采用低折射率双斜劈结构限制和挤压光场，实现光在III-V族材料和硅基材料之间的有效耦合，并通过硅基光栅形成谐振腔，实现特定波长的单模激射。其中双斜劈结构构建的耦合区可达到5微米以下，尺寸远远小于现有同类激光器的耦合区域(现有的相同耦合方式的硅基激光器结构中，耦合区长度多在几十微米至百微米的数量级)，大大缩短了耦合区域的长度，在单模发光的前提下使结构更短更简化，器件整体尺寸更小，实现了器件小型化。
2.本发明用低折射率材料的缝隙结构局域光场，性能优良，结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器的整体结构示意图；
图2为本发明有源层结构示意图；
图3为本发明硅层结构图(低折射率材料以空气为例)；
图4a为本发明耦合区的光路示意图，其中x轴为光谐振和传播的方向，z方向从上到下分别为有源层、硅层和二氧化硅衬底；
图4b为对照图4a的光路示意图的激光器侧面结构示意图；
图5为耦合效率与耦合区长度的关系；
图6为表1参数条件下注入70mA电流时激光器输出功率(mW)和时间(ns)的关系曲线，纵坐标为输出功率，横坐标为时间；
图7为表1参数条件下注入70mA电流时激光器输出功率频谱。
其中：1、有源层，1-1、矩形端，1-2、梯形端，2、硅层，2-1、凸脊，3、二氧化硅衬底，A、有源区，B、耦合区，C、无源区，D、空气。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，从上而下包括有源层、硅层、二氧化硅衬底，有源层包括矩形端和梯形端，梯形端的长边与矩形端相连，矩形端和梯形端一体制造；硅层为矩形条，硅层一端设有开口通槽，开口通槽的底部设有凸脊，凸脊的水平投影为梯形，凸脊的长边与开口通槽的底部连接。硅层的开口通槽内以空气为低折射率材料、不填充其他低折射率材料。
硅层厚度和宽度尺寸选为220nm*500nm，用以保证硅层光的单模传输。
有源层宽度为2μm，厚度为1μm。有源层中基模能量大部分集中在截面的中心区域，因截面尺寸过大而出现的高阶模一般不参与激光的产生。
实施例2：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，有源层宽度为3μm，厚度为2μm。
实施例3：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，硅层的凸脊的长边与有源层的梯形端短边在同一竖直平面内，即水平投影中硅层凸脊长边与有源层梯形短边在一条直线上。
有源层的水平方向的中轴线与硅层的水平方向的中轴线位于同一竖直平面内。即水平方向投影上，有源层的尾部和硅层凸脊的起始位置一致、且二者中轴线重合，其他参数条件相同的情况下，该种设计的耦合效率最高。实际制造中相对位置允许偏差，并不能做到完全对称、对齐，位置偏差带来的影响使耦合效率相应降低。
有源层梯形端短边与长边之间的距离大于硅层的凸脊长度。
实施例4：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其结构如实施例3所述，所不同的是，有源层梯形端的短边和硅层凸脊的短边均为100nm。上下两个梯形结构结合硅层凸脊两侧的低折射率斜劈挤压和限制光场，实现光在上下层间的相互耦合。理论上将光场从一种材料中完全耦合至另一种材料应选用锥形结构，即水平投影为三角形的结构，但实际情况中锥形结构在尖端处会产生很大的反射，且无法严格的工艺中实现，因此选用短边为100nm的梯形结构，在保证耦合效率较高的前提下减小尖端处产生的反射，同时提高了该结构在实际制造中的可用性。
实施例5：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其结构如实施例4所述，所不同的是，硅层的凸脊的长边为耦合区和无源区的分界，凸脊长边面向凸脊的一侧为耦合区，耦合区的长度为凸脊的长度，凸脊长边另一侧为无源区，以1550nm波长的光为例，在硅层上表面刻蚀有光栅，光栅位于硅层无源区，刻蚀接在耦合区之后。光栅长165μm，周期0.3222μm，刻蚀深度0.006μm，对1550nm波长的光反射率达到90％以上。通过设计光栅结构反射特定波长λ0(例如1550nm)的光，形成谐振腔，实现单波长发光。光栅不一定紧接着耦合区无源区的界线，可以隔开一段再设置。
光栅远离耦合区的一端镀有高透膜。所述高透膜是激光器常用的全频段的透过率99％以上的透膜，激光器在沿光的传播方向(横向)上主要分为三个部分：有源区，耦合区，无源区。有源层左侧为反射端面一般为截断面，不需要涂层，仅作为谐振腔的一端和激光器的出光口；光栅右端面需要镀高透膜，以此保证光栅右端的截面不引入相移，光栅反射谱中心波长对准λ0。本实施例中的左侧为附图所示的左侧。
实施例6：
一种利用实施例5所述III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器的集成发光方法，包括步骤如下：对有源层注入电流产生光信号，光经耦合区耦合至硅层，无源区的光栅结构将目标波长λ0的光反射，与有源层远离耦合区一侧的反射端面形成谐振腔，使该频率的光谐振放大，最终形成激光出射。除λ0波长以外的光不会被光栅反射。由图4a可以观察到，光经过耦合区实现了硅层和有源层之间的相互耦合。
改变耦合区长度，耦合效率的变化如图5所示，可以看到，由低折射率双斜劈结构构建的耦合区长度在3μm时理论耦合效率达到99.47％，继续增加长度耦合效率趋于平稳。
以下表1中的激光器参数为例，光栅中心波长设定为1550nm(对应频率为193.54THz)，低折射率材料采用空气，考虑了温度的影响，注入电流70mA，采用数值仿真算法对本结构进行模拟，得到结果如图6和图7所示，本发明中的激光器在表1参数条件下，在注入70mA电流时可产生约10mW的稳定单模输出。
表1.激光器参数
Parameters Values
Active Region Length(μm) 300
Active Region Thickness(μm) 0.18
Refractive index 3.2
Group refractive index 3.6
Confinment factor 0.3
Differential gain(cm<sup>2</sup>) 2.5*10<sup>-16</sup>
Gain compression coefficient 6*10<sup>-17</sup>
Transparency carrier density(cm<sup>-3</sup>) 1*10<sup>18</sup>
Waveguide loss(cm<sup>-1</sup>) 25
Linewidth enhancement factor 4
Reference temperature(K) 300
Series thermal resistance(Om) 7
Reciprocal of thermal capacity(K/J) 3.87*10<sup>8</sup>
Thermal deffusion coefficient(cm<sup>2</sup>/s) 0.2
实施例7：
一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其结构如实施例5所述，所不同的是，硅层的开口通槽内填充有折射率小于有源层和硅层的低折射率材料，所述低折射率材料为苯并环丁烯(BCB)。

Claims (11)

1.一种III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，从上而下包括有源层、硅层、二氧化硅衬底；
有源层包括矩形端和梯形端，梯形端的长边与矩形端相连，矩形端和梯形端一体制造；
硅层为矩形条，硅层一端设有开口通槽，开口通槽的底部设有凸脊，凸脊的水平投影为梯形，凸脊的长边与开口通槽的底部连接。
2.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，硅层厚度和宽度尺寸为220nm*500nm。
3.根据权利要求2所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，有源层宽度为2-3μm，厚度为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，硅层的凸脊的长边与有源层的梯形端短边在同一竖直平面内。
5.根据权利要求4所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，有源层的水平方向的中轴线与硅层的水平方向的中轴线位于同一竖直平面内。
6.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，有源层梯形端短边与长边之间的距离大于硅层的凸脊长度。
7.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，有源层梯形端的短边和硅层凸脊的短边均为100nm。
8.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，硅层的凸脊的长边为耦合区和无源区的分界，凸脊长边面向凸脊的一侧为耦合区，凸脊长边另一侧为无源区，在硅层上表面刻蚀有光栅，光栅位于硅层无源区，光栅长165μm，周期0.3222μm，刻蚀深度0.006μm。
9.根据权利要求8所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，光栅远离耦合区的一端镀有高透膜。
10.一种利用权利要求9所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器的集成方法，包括步骤如下：对有源层注入电流产生光信号，光经耦合区耦合至硅层，无源区的光栅结构将目标波长λ0的光反射，与有源层远离耦合区一侧的反射端面形成谐振腔，使该波长λ0的光谐振放大，最终形成激光出射。
11.根据权利要求1所述的III-V族硅基低折射率缝隙结构DBR激光器，其特征在于，硅层的开口通槽内填充有折射率小于有源层和硅层的低折射率材料，所述低折射率材料为空气或苯并环丁烯。
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