CN113785454B - 具有简化构造的单模硅基iii-v族混合激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光装置，包括：III‑V族异质结构放大介质(1，QW，2)；硅光波导(3，4)，包括面向放大介质中心部分的耦合段(71)、传播段(74)和布置在耦合段(71)和传播段(74)之间的第一过渡段(72)；第一和第二反射结构(Mf，Mr)，允许在它们之间形成用于放大介质的法布里‑珀罗型谐振腔。耦合段(71)包括设置有通过减小耦合段的厚度和/或宽度设计的微反射器的折射率干扰区域(71)。第一反射结构(Mf)形成在波导的具有第一厚度的段中。第二反射结构(Mr)形成在波导的具有第一厚度且通过波导的第二过渡段(73)与耦合段(71)分隔开的一段(75)中，第二过渡段(73)具有大于第一厚度的第二厚度。

Description

具有简化构造的单模硅基III-V族混合激光器
技术领域
本发明的领域是集成光子组件的领域，其使用能够发光的半导体材料的特性和集成电路中常规使用的半导体材料的特性。
本发明更具体地涉及硅基混合激光器，其包括III-V族异质结构放大介质。
背景技术
硅基III-V族混合激光器通常包括：
-增益结构，其包括至少一个III-V族异质结构光放大介质，该异质结构能够发光并且布置为覆盖一段硅波导以与其形成混合波导段，
-光反馈结构，用于为放大介质形成谐振腔，和
-在混合波导段和其他硅波导段，特别是激光发射的光传播段之间的光过渡。
术语“III-V族异质结构”是指可使用选自以下非详尽列表的材料：InP、GaAs、InGaAlAs、InGaAsP、AlGaAs、InAsP。这种放大介质(也称为增益介质)的异质结构可以包括各种层的堆叠，例如形成夹在第一掺杂层(优选为N型掺杂)和第二掺杂层(优选为P型掺杂)之间的量子阱的层的堆叠。
在分布式反馈激光器(即DFB激光器)的情况下，光反馈结构由分布式反射器构成，例如布拉格光栅，在增益结构之下或之中，形成波长选择镜。在分布式布拉格反射器激光器(即DBR激光器)的情况下，光反馈结构由在混合波导段两侧布置在波导中的反射器组成。
图1示出了DFB激光器的简化俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出激光器的不同区域。
DFB激光器包括III-V族异质结构放大介质，例如形成的夹在N型掺杂InP层1和P型掺杂InP层2之间的量子阱的堆叠QW。由层1和层2以及量子阱堆叠QW形成的夹层厚度通常在2到3μm之间。激光器包括硅光波导。例如，其包括脊形波导，脊形波导包括由脊部4覆盖的平板波导3。波导包括面向放大介质的中心部分的耦合段41、布置在耦合段41两侧的两个过渡段42、43、以及分别光耦合到过渡段42、43中的一个的两个传播段44、45。过渡段42、43的尺寸设计成使得在耦合段41和相应的传播段44、45之间几乎没有传输损耗和反射率。如现有技术已知的，用于此目的的脊形波导3、4较厚(平板3和脊部4的累积厚度因此通常大于或等于400nm，或500nm)，并且过渡段42、43比传播段44、45宽(对于500nm的厚度，通常为400nm的宽度)。布拉格光栅形成在耦合段41中以提供光反馈。来自激光器腔的光因此与硅波导耦合并在输出处沿着箭头F1和F2从传播段44、45中的每一个传播。
布拉格光栅通常是通过在脊部4中以周期蚀刻一阶四分之一波结构/>而形成，其中λm0是真空中的波长，neff是混合波导的有效指数(AA截面)。布拉格光栅可以设计成通过在耦合段的中心引入S段作为四分之一波型相位跳跃来执行激光装置的单模操作。对于1310nm的真空波长λm0和约3.25的标准指数neff，布拉格光栅的周期通常约为200nm。这种光栅的制造需要高分辨率的光刻，因此控制仍然相对复杂。
此外，具有支撑在InP衬底上的量子阱结构的单模激光器是已知的，其可以通过较低分辨率的光刻制造。如图2所示，这些激光器使用波导的切割面(cleaved facet)形式的镜C1、C2作为反馈结构。这些激光器(称为“离散模式激光器(DML)”)的单模操作是通过沿着与量子阱结构耦合的波导脊部蚀刻槽部F产生折射率干扰而提供。槽部被形成为使得所有光路的长度L(槽部的长度、槽部之间的距离、槽部与镜之间的距离)遵守其中S为自然整数(0,1,2...)，λm0是用于激光模式的真空波长，neff是槽部处的有效指数。因此，L是四分之一波模式/>的奇数。在适当情况下，类似于DFB激光器的S段，可以在槽部之间或在槽部与镜之间引入额外的四分之一波相移。
与在InP衬底上制造的DFB激光器相比，DML激光器具有更好的选择性，因为其导致较窄的线宽和对外部反射的降低的灵敏度。DML激光器可以使用低分辨率光刻制造，因为槽部的长度和它们之间的距离可以是高阶腔(例如或/>)。实际上，由于这些高阶腔造成的辐射损耗对于DML激光器的危害要小于对DFB激光器的危害，DM激光器需要的槽数(通常小于100)明显低于DFB激光器的布拉格光栅的齿数(400μm长的光栅大约有2000个齿)。在这种DML激光器中，槽部是通过在激活区上方的InP材料中进行光刻和蚀刻产生的。因此，可以很好控制一个槽部相对于另一个槽部的相对定位。另一方面，不可能精确地控制镜C1、C2相对于不同槽部的位置，因为这些镜C1、C2是通过切割获得的，切割精度最高为10μm。镜相对于槽部的定位的不确定性会导致激光器故障。
解决方案可以是使用DBR激光器所采用的光反馈结构，即在混合波导段两侧布置在硅波导中的反射器，而不是使用切割面。
为此，图3示出了DBR激光器的简化俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出了激光器的不同区域。DBR激光器包括III-V族异质结构放大介质，例如形成的夹在N型掺杂InP层1和P型掺杂InP层2之间的量子阱的堆叠QW。激光器包括硅光波导，例如脊形波导，其包括由脊部4覆盖的平板波导3。波导包括面向放大介质的中心部分的耦合段41、布置在耦合段41两侧的两个过渡段42、43、与其中一个过渡段42光耦合的传播段44以及与另一个过渡段43光耦合的反射段45。过渡段42、43的尺寸设计成使得几乎没有传输损耗和反射率。
两个镜M1、M2布置在放大介质外部以形成光反馈结构。如图3所示，通常由相对于III-V族异质结构放大介质布置在两侧的布拉格光栅组成，一个M2由传播段44支撑，另一个M1由反射段45支撑。由反射段45支撑的镜M1具有高反射率(大于90％)，而由传播段44支撑的镜M2具有低反射率(小于50％)。来自激光器腔的光因此与硅波导耦合并在输出处沿着箭头F3从传播段44传播。
然而，由于以下两个原因，在具有放大介质的耦合段之外在硅波导中形成两个镜的这种解决方案并不令人满意。
为了使过渡段42、43既不表现出传输损耗也不表现出反射性，脊形波导3、4因此较厚，平板3和脊部4的累积厚度通常大于或等于400nm，或500nm。在平板3的厚度为300nm，脊部4的厚度为200nm并且考虑到通过将脊部4的宽度从wl＝1500nm减小到wn＝500nm来形成布拉格光栅的情况下，布拉格光栅对于1310nm的波长具有200nm的周期。对于DFB激光器，这种光栅的制造需要高分辨率的光刻，因此进行控制仍然是相对复杂的。
此外，布拉格光栅(微反射器)的各个基本结构引入的反射系数较低，因此要获得高反射率，就需要加长光栅。例如，需要18μm的长度才能实现97％的反射率。镜M1、M2因此延长激光器腔(与由InP制成的DML激光器相比，其中镜是紧接激光器激活区的末端布置的切割面)，即使通常试图布置尽可能短的激光器腔，以使得每个腔模式之间的间距尽可能宽，从而确保激光器操作时不会发生模式跳跃。
发明内容
本发明的目的是提供一种在混合III-V族/硅平台上的单模激光装置，该装置可以用低分辨率光刻工具制造，同时确保该激光装置的操作没有模式跳跃(即，提出一种激光器，其中相对于激活区，腔尽可能短)。
为此，本发明提供了一种激光装置，包括：
-III-V族异质结构放大介质；
-硅光波导，包括面向放大介质的中心部分的耦合段、传播段和布置在耦合段和传播段之间的第一过渡段；
-第一反射结构和第二反射结构，允许在第一反射结构和第二反射结构之间形成用于放大介质的法布里-珀罗(Fabry-Perot)型谐振腔。
耦合段包括设置有微反射器的折射率干扰区域，微反射器通过减小耦合段的厚度和/或宽度进行设计，微反射器具有为的长度并且彼此分隔开大于/>的距离，其中m是奇数，n是整数，λm0是真空中的波长，neff是折射率干扰区域的有效指数。
第一反射结构形成在波导的具有第一厚度的一段中。
第二反射结构形成在波导的一段中，该段具有第一厚度并且通过波导的第二过渡段与耦合段分隔开，第二过渡段具有大于第一厚度的第二厚度。
该装置的一些优选但非限制性的方面如下：
-第二反射结构的反射率大于第一反射结构的反射率；
-第二反射结构(Mr)的反射率大于90％；
-第一反射结构的反射率在5％至60％之间；
-第二反射结构是布拉格光栅；
-第一厚度在50nm至300nm之间，并且第二厚度比第一厚度大至少100nm，优选地大至少150nm；
-第一反射结构形成在第一过渡段中；
-第一过渡段具有第二厚度；
-第一反射结构是形成在耦合段中的布拉格光栅；
-第一反射结构是形成在波导的插入在传播段和第一过渡段之间的一段中的布拉格光栅；
-波导是设置有背离放大介质的脊部的波导；
-脊部位于第二过渡段处，并且在适用情况下位于第一过渡段处。
附图说明
通过阅读以下通过非限制性示例的方式给出的优选实施例的详细描述并参考附图，本发明的其他方面、目的、优点和特征将更清楚地显现，其中：
图1是混合III-V族/硅平台上的DFB激光器的图，如上所述；
图2是InP衬底上的DML激光器的图，如上所述；
图3是混合III-V族/硅平台上的DBR激光器的图，如上所述；
图4是根据本发明的第一可行实施例的激光器的俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出了激光器的不同区域；
图5是图4的激光器的纵向剖视图；
图6是根据本发明的第二可行实施例的激光器的俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出了激光器的不同区域；
图7是根据本发明的第三可行实施例的激光器的俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出了激光器的不同区域。
具体实施方式
参考图4至图7，本发明涉及一种包括III-V族异质结构放大介质的激光装置，例如由夹在N型掺杂InP层1和P型掺杂InP层2之间的量子阱的堆叠QW形成。在该放大介质下，激光器包括硅光波导，例如平板波导3，其可以被脊部4覆盖，特别是局部地覆盖。
如图5所示，平板波导3可以形成在硅基绝缘体衬底的表面层上，因此通过埋置的绝缘层7(通常由SiO2制成)与硅衬底6分开。波导还覆盖有绝缘层8(通常由SiO2制成)，这尤其能够实现放大介质的结合。如图4、图6和图7的横向截面BB所示，平板波导3可以被背离放大介质的脊部4局部覆盖。在替代实施例中，该局部脊部可以朝向放大介质。
激光器还包括第一和第二反射结构Mf、Mr，允许在它们之间形成用于放大介质的法布里-珀罗型谐振腔。这些反射结构将在下面更详细地描述，但是已经可以注意到，第二反射结构Mr的反射率可以大于第一反射结构Mf的反射率。这种反射率的不对称性使得可以优先地耦合激光器腔一侧的光。第二反射结构Mr的反射率优选大于90％，而第一反射结构Mf的反射率优选在5％至60％之间。
波导包括面向放大介质中心部分的耦合段51、61、71和用作由激光器产生的光的输出端口的传播段54、64、74。耦合段51、61、71包括设置有微反射器的折射率干扰区域510、610、71，微反射器被设计成使得谐振腔以单模方式运作。这些微反射器是通过减小硅波导的厚度和/或通过减小硅波导的宽度而形成的。有10到200个。在图中，这些微反射器由硅波导中减少了厚度的槽部表示。这些微反射器，例如类似于DML激光器中存在的槽部，如上描述所呈现的，微反射器的长度为且彼此分隔开大于/>的距离，其中m是奇数，n是整数，λm0是真空中的波长，neff是折射率干扰区域的有效指数。在适当情况下，类似于DFB激光器的S段，可以在微反射器之间或在微反射器和镜之间引入额外的四分之一波相移。例如，微反射器的位置可以根据由S.O'Brien等人在“Spectral manipulation inFabry-Perot lasers:perturbative inverse scattering approach(法布里-珀罗激光器中的光谱操作：微扰逆散射法)”，J.Opt.Soc.Am.B 23,1046-1056(2006)文章中提出的方法来确定。耦合段51、51可以包括在折射率干扰区域510、610的任一侧上的一个或多个附加区域511、611。
波导进一步包括布置在传播段54、64、74和耦合段51、61、71之间的第一过渡段52、62、72。其还包括所谓的高反射率反射段55、65、75以及第二过渡段53、63、73，第二过渡段布置在耦合段51、61、71和高反射率段55、65、75之间。
根据本发明，第一反射结构Mf形成在波导的具有第一厚度的一段中，而第二反射结构Mr形成在波导的具有第一厚度并且通过波导的第二过渡段53、63、73与耦合段51、61、71分开的一段中，第二过渡段具有大于第一厚度的第二厚度。第一厚度可以在50nm至300nm之间，并且第二厚度比第一厚度大至少100nm，优选地大至少150nm。
在图4和图5所示的第一实施例的范围中，第一过渡段52形成谐振腔的第一反射结构Mf。
在第二和第三实施例的范围中，谐振腔的第一反射结构Mf是由耦合段61、71的内部(图6)或外部(图7)的波导支撑的布拉格光栅。第一过渡段62、72因此具有第二厚度。
在图6所示的第二实施例中，形成第一反射结构Mf的布拉格光栅因此由折射率干扰区域610之外的耦合段61支撑，即，由布置在折射率干扰区域610与第一过渡段62之间的耦合段的附加区域611支撑。
在图7所示的第三实施例中，形成第一反射结构Mf的布拉格光栅就其本身而言由插入在第一过渡段72和传播段74之间的所谓的低反射率段76支撑。
在这些实施例中，第二反射结构Mr就其本身而言可以由波导的高反射率段55、65、75支撑的布拉格光栅形成，在与第一反射结构Mf相反的一侧在耦合段51、61、71的外部(可替代地，高反射率布拉格光栅可以支撑在耦合段内部)。硅波导可以在形成第二反射结构Mr的布拉格光栅处具有较小厚度，也在适用情况下在形成第二反射结构Mr的布拉格光栅处具有较小厚度。因此证明可以实现其中周期大于现有技术的布拉格光栅(通常大于220nm，例如227nm，具有220nm的波导厚度，1310nm的波长)，这使得可以在放宽制造约束的同时具有高反作用力，这使得可以减小光栅的长度(仍然根据同一示例，长度为10μm的光栅可以实现97％的反射率)。
此外，不同于通过切割限定面位置的已知DML激光器，本发明的两个反射结构可以通过光刻限定，这使得可以更好地控制这些结构相对于耦合段中微反射器的定位。此外，与传统的布拉格光栅相比，第一实施例的第一反射结构具有减小的长度，这使得可以设计长度更短的激光腔。
虽然相对较薄的硅波导(通常为100nm至300nm)通常用于硅光子组件(例如在引导或调制方面)，但众所周知，III-V族/硅基混合激光器需要相对较大的厚度(通常为500nm)来设计隔热过渡段(即，没有损耗)。在这些过渡段中，波导的宽度也被减少/增加。如图4、图6和图7中的截面BB所示，波导因此在第二过渡段53、63、73中(以及在第二和第三实施例的范围中的第一过渡段62、72中)具有例如为3μm(与InP层2/量子阱堆叠QW的宽度相当)的宽度，以及例如为500nm的厚度。
在第一实施例的范围中，为了通过第一过渡段52来形成第一反射结构，可以使其厚度和/或宽度小于第二过渡段53的厚度和/或宽度。因此，第一过渡段52的厚度可以在50nm和300nm之间和/或其宽度可以在300nm和1μm之间。如图5所示，第一过渡段52和第二过渡段53之间的厚度差可以通过在埋置的绝缘层7中产生的局部位于第二过渡段53处的硅4的额外厚度来获得。
类似地，在第二和第三实施例的范围中，形成第一反射结构的布拉格光栅由波导的一段支撑，波导的该段的厚度和/或宽度小于过渡段62、72和63、73的厚度和/或宽度，特别是在50nm至300nm之间的厚度和/或在300nm至1μm之间的宽度。厚度差可以特别地通过在埋置的绝缘层7中产生的局部位于第一过渡段62、72处和局部位于第二过渡段63、73处的硅4的额外厚度来获得。

Claims (14)

1.一种激光装置，包括：
III-V族异质结构放大介质；
硅光波导，包括面向所述放大介质的中心部分的耦合段、传播段和布置在所述耦合段和所述传播段之间的第一过渡段；
第一反射结构和第二反射结构，允许在所述第一反射结构和所述第二反射结构之间形成用于所述放大介质的法布里-珀罗型谐振腔；
其特征在于，所述耦合段包括设置有微反射器的折射率干扰区域，所述微反射器通过减小所述耦合段的厚度和/或宽度来进行设计，所述微反射器具有为的长度并且彼此分隔开大于/>的距离，其中m是奇数，n是整数，λm0是真空中的波长，neff是所述折射率干扰区域的有效指数；
其中，所述第一反射结构形成在所述波导的具有第一厚度的一段中；并且
其中，所述第二反射结构形成在所述波导的具有第一厚度并且通过所述波导的第二过渡段与所述耦合段分隔开的一段中，所述第二过渡段具有大于所述第一厚度的第二厚度。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第二反射结构的反射率大于所述第一反射结构的反射率。
3.根据权利要求2所述的激光装置，其中，所述第二反射结构的反射率大于90％。
4.根据权利要求2所述的激光装置，其中，所述第一反射结构的反射率在5％至60％之间。
5.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第二反射结构是布拉格光栅。
6.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第一厚度在50nm至300nm之间，并且其中所述第二厚度比所述第一厚度大至少100nm。
7.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第一反射结构形成在所述第一过渡段中。
8.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第一过渡段具有所述第二厚度。
9.根据权利要求8所述的激光装置，其中，所述第一反射结构是形成在所述耦合段中的布拉格光栅。
10.根据权利要求8所述的激光装置，其中，所述第一反射结构是形成在所述波导的插入在所述传播段和所述第一过渡段之间的一段中的布拉格光栅。
11.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述波导是设置有背离所述放大介质的脊部的波导。
12.根据权利要求7所述的激光装置，其中，所述波导是设置有背离所述放大介质的脊部的波导，所述脊部位于所述第二过渡段处。
13.根据权利要求8所述的激光装置，其中，所述波导是设置有背离所述放大介质的脊部的波导，所述脊部位于所述第一过渡段处且位于所述第二过渡段处。
14.根据权利要求6所述的激光装置，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少150nm。
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