CN113812049A - 一种用于光子集成电路的分布式反馈激光器装置及其改进和制造方法 - Google Patents

一种用于光子集成电路的分布式反馈激光器装置及其改进和制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113812049A
CN113812049A CN201980092959.3A CN201980092959A CN113812049A CN 113812049 A CN113812049 A CN 113812049A CN 201980092959 A CN201980092959 A CN 201980092959A CN 113812049 A CN113812049 A CN 113812049A
Authority
CN
China
Prior art keywords
distributed feedback
laser
feedback laser
waveguide
silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980092959.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113812049B (zh
Inventor
高峰
贾连希
帕特里克·国强·卢
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd
Original Assignee
Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd filed Critical Advanced Microcrystalline Circle Private Ltd
Publication of CN113812049A publication Critical patent/CN113812049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113812049B publication Critical patent/CN113812049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1228—DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0215—Bonding to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04252—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material
    • H01S5/04253—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material having specific optical properties, e.g. transparent electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0612—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/2202—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure by making a groove in the upper laser structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12121—Laser
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12161—Distributed feedback [DFB]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0215—Bonding to the substrate
    • H01S5/0216—Bonding to the substrate using an intermediate compound, e.g. a glue or solder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04252—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明提供一种集成在硅上的分布式反馈激光器，包括具有第一材料的波导和具有不同于所述第一材料的第二材料形成的激光二极管的组合。其中激光二极管包括形成单纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件。波导包括由金属化区域分隔的多个波导元件。金属化光栅元件和金属化区域适于彼此耦合以形成所述分布反馈激光器。

Description

一种用于光子集成电路的分布式反馈激光器装置及其改进和 制造方法
技术领域
本发明涉及一种分布式反馈(DFB)激光器及其制造方法，具体地但不限于用于光子集成电路。
背景技术
硅具有间接带隙，这可能导致实现激光二极管的困难。因此，光电子集成电路需要在硅上集成III-V二极管激光器。为了解决这些问题，已经提出了一些建议，例如：
·III-V材料在硅上的外延生长；
·如分子键合的混合集成；
·例如使用粘结剂晶圆键合或金属条晶圆键合的异构集成；
·如倒装键合的边缘耦合集成和光栅耦合集成。
硅上的外延III-V材料是相对低成本的解决方案，但是晶格参数的不匹配导致难以实现高性能半导体激光器外延结构。
混合集成提供了长期稳定性，但仍然需要无颗粒和低粗糙度的表面以获得无空隙的键合，这导致产量问题。这也将导致复杂的处理过程。
异构集成具有较低的颗粒和表面粗糙度敏感性，但仍存在与低热导率相关的问题。
边缘耦合集成和光栅耦合集成，例如倒装键合，需要精确的对准，因此仅允许晶片到晶片的键合。这增加了一定程度的复杂性和限制。
因此，还没有解决与在硅上实现激光二极管相关的问题，并且仍在寻找解决方案。
下面描述的实施例不限于解决现有技术的一些或所有缺点的实施方式。
发明内容
本部分发明内容是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本部分发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不用于确定所要求保护的主题的范围。
根据本发明的一个方面，提供一种集成在硅上的分布式反馈激光器，包括具有第一材料的波导和具有不同于第一材料的第二材料的激光二极管的组合。其中激光二极管包括形成单个纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件。波导包括由金属化区域分隔的多个波导元件。金属化光栅元件和金属化区域适于彼此耦合以形成所述分布反馈激光器。
优选地，第一材料是硅，第二材料包括III-V材料。
优选地，金属化光栅元件和金属化区域适于彼此键合以形成内部键合的金属层。
优选地，键合包括对接耦合。
优选地，键合通过在氮气中预定温度下施加力以将波导和激光二极管压合并持续预定时间来实现。
优选地，力在大约0.5N到3N之间。
优选地，预定温度为大约300-500℃。
优选地，预定时间为大约5-12小时。
优选地，波导为沿着激光器的外延轴的光约束层。
优选地，波导的光约束层与激光器的光约束层相结合，形成一个组合光约束层。
优选地，金属位于掩埋氧化物层上。
优选地，金属层在激光器内充当电极。
优选地，金属具有小的吸收系数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，包括：由第一材料形成激光二极管，包括形成单个纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件；由不同于第一材料的第二材料形成波导，包括由金属化区域分隔的多个波导元件；将所述金属化光栅元件和金属化区域彼此耦合以形成所述分布反馈激光器。
优选地，第一材料为硅，第二材料包括III-V材料。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：形成附加元件作为加热元件和电压产生元件中的一个，其可以引起波导的限定部分的折射率的变化。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：彼此键合金属化光栅元件和金属化区以形成内部键合的金属层。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：通过对接耦合进行键合。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：在氮气中预定温度下施加力以将所述波导和激光二极管压合并持续预定时间。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：所述力在大约0.5N到3N之间；预定温度为大约300-500℃；预定时间为大约5-12小时。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：形成为沿着激光器的外延轴的光约束层的波导。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括设置金属位于掩埋氧化物层上。
对于本领域技术人员来说，显而易见地，优选的特征可以适当地组合，并且可以与本发明的任一方面相结合。
附图说明
本发明的实施例将参考以下附图以示例的方式进行描述,其中：
图1是根据本发明实施例的分布式反馈(DFB)激光器的示意图；
图2是图1激光器的激光二极管的示意图；
图3是图2的激光二极管的进一步示意图；
图4是图2或图3俯视图；
图5是根据本发明实施例的硅波导的示意图；
图6是形成图5的波导的步骤的示意图；
图7是激光二极管和波导的键合工艺的示意图；
图8更详细地示出图7过程的示意图；
图9是键合工艺后激光器的示意图。
在所有附图中使用共同的附图标记来指示类似的特征。
具体实施方式
以下仅通过实施例的方式描述本发明的具体实施方式。这些实施例代表了申请人目前已知的将本发明付诸实践的最佳方式，尽管它们不是可以实现本发明的唯一方式。该描述阐述了该示例的功能以及用于构造和操作该示例的步骤次序。然而，相同或等效的功能和次序可以通过不同的示例来实现。
分布式反馈(DFB)激光器是一种激光二极管，其中器件的有源区域包含周期性结构元件或衍射光栅。该结构可以包括一维干涉光栅，并且该光栅为激光器提供光学反馈。光栅可以是布拉格光栅或任何其它适当类型。一维干涉光栅(也称为纵向衍射光栅)具有折射率的周期性变化，其导致反射回到激光器的腔中。在DFB激光器中，光栅和反射通常沿着腔是连续的，而不仅仅是在两端。这改变了模态行为并使激光器更稳定。DFB激光器有各种设计，每种都具有稍微不同的特性。
激光二极管(LD)、注入型激光二极管(ILD)或二极管激光器是类似于发光二极管的半导体器件，其中激光束产生二极管的结。激光二极管是一种非常常见的激光器，具有广泛的用途，包括光纤通信、条形码阅读器、激光笔、CD/DVD/蓝光光盘读取/录制、激光打印、激光扫描和光束照明。
参照图1，示出了根据本发明的集成在硅上的DFB激光器100。DFB激光器包括激光二极管102、波导104、衬底106和掩埋氧化物(BOX)层108。波导104可以例如为硅(Si)，氮化硅(SiN)，聚合物波导，二氧化硅(SiO2)和/或硫化钨(WS2)。衬底106例如由硅制成，而掩埋氧化物(BOX)层108例如由二氧化硅(SiO2)制成。
参照图2、3和4，现在将更详细地描述激光二极管102。激光二极管包括n型衬底200，n型或光约束层202，以及有源或增益层204。对于激光二极管，当电流注入时，有源层中的载流子可以重新组合产生光子。光子形成激光束。约束层也被称为光约束层。横向光约束由波导实现。对于垂直激光器，也需要约束层。由于激光束在有源层中产生并且该层非常薄，为了降低有源层上的能量密度并避免物理损伤，使用了光约束层。对于标准III-V激光器，光约束层通常是III-V材料。然而，在本发明中，一个光约束层是III-V材料，而另一个是硅(下面进行了更详细的描述)。如已知的，但为了避免疑问，III-V材料是具有元素周期表所定义的至少一种III族元素和一种V族元素的化合物。
具有特定形式的p型约束层206被应用。这包括形成凹槽212的两个区域208和210。在此凹槽内，设置多个彼此规则间隔的p型约束区域214，从而形成了一般如216标注的光栅布置。p型约束层在区域208和210以及光栅布置216上被覆盖有一层金属218。因此，金属涂层光栅布置由多个所谓的金属化光栅元件组成。作为示例，用于各层的材料如下：
n型衬底200为磷化铟(InP)；n型约束层202为AlGaInAs；有源层204为InGaAlAs-InGaAsP；p型约束层206为AlGaInAs；金属218为Au-Ge-Ni。可使用具有相同特性的其他材料代替这些示例。
参照图3，示出了激光二极管102的横截面。光栅布置被示出为由两个部分形成，即蚀刻部分300和未蚀刻部分302。p型约束层以规则的间隔被蚀刻，使得有源层暴露以对接耦合到硅波导，如下文将更详细地描述。金属218被应用到未蚀刻部分302。为了减少来自金属的吸收，金属与有源层204相距预定的空间，从而达到较小的吸收损耗。这具有足够的耦合强度以形成单纵模运行。例如，如果金属218是AU、Ge或Ni，则由此形成损耗耦合效应，形成单纵模。在p型约束层未被蚀刻的部位，实现了金属中光耦合的缩减。
对接耦合是将波导耦合到激光二极管以使得能够在不使用附加耦合器的情况下有效地耦合来自激光二极管的未准直激光束的技术。
参照图4，凹槽212和相关光栅布置216从俯视图中显示。该凹槽具有30微米量级的宽度400，并且光栅元件402、404及406等被具有几微米量级的间隙分隔。间距和尺寸以示例的方式给出，并非旨在限制。
参照图5和图6描述硅波导104。如图5更清晰所示，硅波导104包括衬底106、由两个金属区域502和504形成的凹槽500，以及多个波导元件506及508。波导元件由分别具有蚀刻部分和未蚀刻部分510和512的规则间隔的掩埋氧化物层108形成。掩埋氧化物层在未蚀刻部分上覆盖有硅514。蚀刻和未蚀刻部分502和504包括多个波导元件，在未蚀刻区域中由金属化区域隔开。参照图6，蚀刻和未蚀刻部分510和512的间距与二极管激光器的p型约束层的蚀刻和未蚀刻部分的间距相匹配。掩埋氧化物元件大约为10微米的量级，与金属区域502和504之间的间隙600也是大约10微米量级。
激光二极管和硅波导都是在将两者结合的键合工艺之前清洁的。键合工艺在图7和8中更详细地示出。从图中可以看出，硅波导的匹配的蚀刻部分510和未蚀刻部分512以及激光二极管的p型约束层的蚀刻部分300和未蚀刻部分302匹配并装配在一起。硅波导和二极管激光器管芯接触。每个部件的金属之间都进行键合。也就是说，硅波导的蚀刻部分上的金属化区域502、504和p型约束层的金属化未蚀刻部分彼此键合。键合过程在大约300到500℃的温度下，在氮气中进行大约5到12小时。在加热过程中，并以0.5到3N之间的力将波导和激光器压合在一起。二极管激光器的金属218嵌入掩埋氧化物中，以避免硅波导104的金属吸收损失。内部金属键合层可以用于改善热耗散，并且可以进一步用作整个组件的电极。
参照图9，在键合工艺之后，去除激光二极管的n衬底，并且通过光刻和蚀刻形成n-包层和n-约束层上的脊，从而获得所需的形状。然后，脊上的金属900被沉积以用作整个激光二极管组件的n电极。金属也用作电极。
本发明提供了一种使用金属光栅作为键合层的新型异构集成。与其他异构集成相比，金属键合层具有更好的散热性能。金属光栅不仅用作键合层，而且形成单纵模损耗耦合DFB激光器。这样，激光二极管在相同的工艺期间制造，并且不需要单独制造，从而降低了制造成本。损耗耦合DFB激光器还不像通常情况那样需要相移光栅和端面涂层。这将在下面更详细地解释。
如已知的，现有两种DFB激光器。一种是折射率耦合DFB激光器，另一种是增益(损耗)耦合DFB激光器。前者也称为折射率耦合布拉格光栅，包括由折射率的周期性变化提供的反馈效应。然而，存在激光发射两种简并模式的固有问题。虽然高质量的不对称端面涂层可以提供解决方案，但器件仍会承受随机端面相位的影响。这些都很难控制，影响了单纵模的成品率。在光栅中引入相移也提供了单纵模运行。然而，它需要复杂的制造过程，如第二次外延或精密的纳米级光栅制造，并且器件中的两个端面都必须涂有抗反射涂层。
本发明提供的另一种类型是增益耦合布拉格光栅，它是实现单纵模的良好选择，反馈效应由增益(或损耗)的周期性变化提供。增益耦合光栅可以有效地消除模式简并，实现高单纵模成品率、端面抗扰性、超低鸟声和高增益裕度。这些是光子器件在实际应用中的关键特性。
未蚀刻部分302上的金属218被规则地间隔开，并且被称为损耗耦合光栅，其可以导致周期性的吸收损耗。
总的来说，本发明的DFB激光器100相对于先前的激光器具有诸多优点。本发明产生了由金属光栅形成的键合层，其用于将波导接合到激光二极管。基于对接耦合机制的激光二极管和硅波导的耦合被结合以形成光学约束，从而形成在硅中的传输。激光在有源层中产生。硅波导用作p型光约束层。因此，激光可以在硅波导中传输。这意味着激光器可以通过一种称为对接耦合的技术耦合到硅波导。为了减少金属损耗，金属位于光约束层之上以减少光在金属中的耦合。在键合之后，金属位于掩埋氧化物层中以避免金属对硅波导的影响。
金属光栅的间距产生了一个不受鸟声影响的微米级单纵模损耗耦合分布式反馈激光器。增益耦合光栅与间距无关。但是，为了避免模式跳转，间距是预先设定的。由于不存在两个简并模式，本发明不受鸟声的影响。硅波导沿DFB激光器的外延轴作为光约束层，与激光器的光约束层结合时提供光约束，从而使通过波导传输的不同模式获得正确的模式增益。换句话说，波导的光约束层与激光的光约束层结合，形成组合光约束层。沿激光器的光学约束由N-光约束层、有源层(在其中传输该激光)和作为另一约束层的硅波导实现。两个约束层基本上限制了激光层。来自有源层的激光通过对接耦合耦合到硅波导，对接耦合提供了将激光由激光器耦合到硅波导的高效方式。
金属位于激光波导下方。这使得DFB激光器100更加紧凑，并且不容易出现以前方案的一些缺点。金属光栅沿硅波导104布置，形成损耗耦合效应，并形成单模损耗耦合DFB激光器。损耗耦合是实现单纵模运行的一种解决方案。折射率有实部和虚部。折射率的周期实部产生单纵模折射率耦合DFB激光器。周期损耗指可用于选择纵向模式的周期虚部。
周期性金属光栅不仅起到键合层的作用，而且会产生损耗耦合效应，形成单纵模DFB激光器。
如上所述的各种元件和结构由适合于制造工艺的任何适当材料制成。例如，对于硅波导，材料可以是SiN、聚合物波导、Ge:SiO2、WS2。对于二极管激光器，材料可以包括其他III-V材料，例如GaN、GaAs。
上述步骤非常简化，并且应当理解，这仅仅是示例的方式。为了完成所需的器件，可以进行其它和附加的处理。例如，在更大的器件中集成，添加其他元件和控制电路，针对不同的应用、材料和阵列尺寸调整当前步骤，等等。
本发明可以包括上述示例的许多变体和替代方案。这些应当包含在本发明的范围内。本发明专门用于半导体激光器和波导的新型异构集成，但也可用于其他集成设备，例如硅上的光电探测器。此外，本发明可至少在以下领域中使用：激光雷达、数据中心、传感器、窄谱线设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种集成在硅上的分布式反馈激光器，包括具有第一材料的波导和具有不同于所述第一材料的第二材料的激光二极管的组合。其中激光二极管包括形成单个纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件。波导包括由金属化区域分隔的多个波导元件。金属化光栅元件和金属化区域适于彼此耦合以形成所述分布反馈激光器。
优选地，第一材料是硅，第二材料包括III-V材料。
优选地，金属化光栅元件和金属化区域适于彼此键合以形成内部键合的金属层。
优选地，键合包括对接耦合。
优选地，键合通过在氮气中预定温度下施加力以将所述波导和激光二极管压合并持续预定时间来实现。
优选地，力在大约0.5N到3N之间。
优选地，预定温度为大约300-500℃。
优选地，预定时间为大约5-12小时。
优选地，波导为沿着激光器的外延轴的光约束层。
优选地，波导的光约束层与激光器的光约束层相结合，形成一个组合光约束层。
优选地，金属位于掩埋氧化物层上。
优选地，金属层在所述激光器内充当电极。
优选地，金属具有小的吸收系数。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，包括：由第一材料形成激光二极管，包括形成单个纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件；由不同于第一材料的第二材料形成波导，包括由金属化区域分隔的多个波导元件；将所述金属化光栅元件和金属化区域彼此耦合以形成所述分布反馈激光器。
优选地，第一材料是硅，第二材料包括III-V材料。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：形成附加元件作为加热元件和电压产生元件中的一个，其可以引起波导的限定部分的折射率的变化。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：彼此键合所述金属化光栅元件和金属化区以形成内部键合的金属层。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：通过对接耦合进行键合。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：在氮气中预定温度下施加力以将所述波导和激光二极管压合并持续预定时间。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：所述力在大约0.5N到3N之间；所述预定温度为大约300-500℃；所述预定时间为大约5-12小时。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括：形成为沿着激光器的外延轴的光约束层的波导。
优选地，制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法还包括设置所述金属位于掩埋氧化物层上。
在不损失所寻求效果的情况下，本文给出的任何范围或装置值可以扩展或改变，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。
应当理解的是，上述益处和优点可以涉及一个或多个实施例。这些实施例不限于那些解决部分或全部所述问题的实施例，也不陷于那些具有部分或全部所述益处和优点的实施例。
对“一个”项目的任何引用都是指其中一个或多个项目。术语“包括”在本文中用于表示包括所标识的方法块或元件，但此类块或元件不构成排他列表，并且所述方法或装置可包含附加块或元件。
在此描述的方法的步骤可以以任何合适的顺序进行，或者在合适的情况下同时进行。另外，在不脱离本发明描述的主题的精神和范围的情况下，可以从任何方法中删除各个块。上述任何示例的一些方面可以与所描述的任何其他示例的一些方面相结合，以形成进一步的示例，而不会失去所寻求的效果。
应当理解，以上对优选实施例的描述仅以示例的方式给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。尽管以上已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了各种实施例，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行多种改变。

Claims (22)

1.一种集成在硅上的分布式反馈激光器，包括具有第一材料的波导和具有不同于所述第一材料的第二材料的激光二极管的组合；其中所述激光二极管包括形成单纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件；所述波导包括由金属化区域分隔的多个波导元件；所述金属化光栅元件和金属化区域适于彼此耦合以形成所述分布式反馈激光器。
2.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述第一材料是硅，所述第二材料包括III-V材料。
3.根据权利要求1或2所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述金属化光栅元件和金属化区域适于彼此键合以形成内部键合的金属层。
4.根据权利要求3所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述键合包括对接耦合。
5.根据权利要求3或4所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述键合通过在氮气中预定温度下施加力以将所述波导和激光二极管压合并持续预定时间来实现。
6.根据权利要求5所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述力在大约0.5N到3N之间。
7.根据权利要求5或6所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述预定温度为大约300-500℃。
8.根据权利要求5-7所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述预定时间为大约5-12小时。
9.根据权利要求1-8任一项所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述波导为沿着所述激光器的外延轴的光约束层。
10.根据权利要求9所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述波导的光约束层与激光器的光约束层相结合，形成一个组合光约束层。
11.根据权利要求1-10任一项所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述金属位于掩埋氧化物层上。
12.根据权利要求1-11任一项所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述金属层在所述激光器内充当电极。
13.根据权利要求1-12任一项所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述金属具有小的吸收系数。
14.一种制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，包括：
由第一材料形成激光二极管，包括形成单纵模的多个规则间隔的金属化光栅元件；
由不同于所述第一材料的第二材料形成的波导，包括由金属化区域分隔的多个波导元件；
将所述金属化光栅元件和金属化区域彼此耦合以形成所述分布式反馈激光器。
15.根据权利要求14所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，所述第一材料是硅，所述第二材料包括III-V材料。
16.根据权利要求14或15所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括：形成附加元件作为加热元件和电压产生元件中的一个，其可以引起波导的限定部分的折射率的变化。
17.根据权利要求13-16任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括：彼此键合所述金属化光栅元件和金属化区以形成内部键合的金属层。
18.根据权利要求13-17任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括：通过对接耦合进行键合。
19.根据权利要求13-17任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括：在氮气中预定温度下施加力以将所述波导和激光二极管压合并持续预定时间。
20.根据权利要求13-19任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，所述力在大约0.5N到3N之间；所述预定温度为大约300-500℃；所述预定时间为大约5-12小时。
21.根据权利要求13-20任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括：形成为沿着所述激光器的外延轴的光约束层的波导。
22.根据权利要求13-21任一项所述的制造集成在硅上的分布式反馈激光器的方法，其特征在于，还包括设置所述金属位于掩埋氧化物层上。
CN201980092959.3A 2018-12-28 2019-12-26 一种用于光子集成电路的分布式反馈激光器装置及其改进和制造方法 Active CN113812049B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SG10201811773XA SG10201811773XA (en) 2018-12-28 2018-12-28 Improvements in or relating to a distributed feedback laser device for photonics integrated circuit and a method of manufacture
SG10201811773X 2018-12-28
PCT/SG2019/050640 WO2020139197A1 (en) 2018-12-28 2019-12-26 Improvements in or relating to a distributed feedback laser device for photonics integrated circuit and a method of manufacture

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113812049A true CN113812049A (zh) 2021-12-17
CN113812049B CN113812049B (zh) 2024-06-28

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1933262A (zh) * 2005-09-16 2007-03-21 索尼株式会社 激光二极管和激光二极管器件
CN101295753A (zh) * 2007-04-24 2008-10-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 用于III-V族化合物器件的低温Au-In-Au键合方法
WO2011046898A1 (en) * 2009-10-13 2011-04-21 Skorpios Technologies, Inc. Method and system for hybrid integration of a tunable laser
CN102882129A (zh) * 2012-10-25 2013-01-16 中国科学院半导体研究所 改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法
CN103427332A (zh) * 2013-08-08 2013-12-04 中国科学院半导体研究所 硅基锗激光器及其制备方法
CN104319630A (zh) * 2014-10-29 2015-01-28 中国科学院半导体研究所 石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法
CN107111060A (zh) * 2014-07-14 2017-08-29 拜奥德光电公司 与光耦合元件的3d光子集成

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1933262A (zh) * 2005-09-16 2007-03-21 索尼株式会社 激光二极管和激光二极管器件
CN101295753A (zh) * 2007-04-24 2008-10-29 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 用于III-V族化合物器件的低温Au-In-Au键合方法
WO2011046898A1 (en) * 2009-10-13 2011-04-21 Skorpios Technologies, Inc. Method and system for hybrid integration of a tunable laser
CN102882129A (zh) * 2012-10-25 2013-01-16 中国科学院半导体研究所 改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法
CN103427332A (zh) * 2013-08-08 2013-12-04 中国科学院半导体研究所 硅基锗激光器及其制备方法
CN107111060A (zh) * 2014-07-14 2017-08-29 拜奥德光电公司 与光耦合元件的3d光子集成
CN104319630A (zh) * 2014-10-29 2015-01-28 中国科学院半导体研究所 石墨烯增益耦合分布反馈式硅基混合激光器的制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
SG10201811773XA (en) 2020-07-29
WO2020139197A1 (en) 2020-07-02
US20220045482A1 (en) 2022-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8472494B2 (en) Semiconductor laser silicon waveguide substrate, and integrated device
US5088099A (en) Apparatus comprising a laser adapted for emission of single mode radiation having low transverse divergence
US10476231B2 (en) Photonic device comprising a laser optically connected to a silicon waveguide and method for manufacturing such a photonic device
US5208183A (en) Method of making a semiconductor laser
JP6487195B2 (ja) 半導体光集積素子、半導体光集積素子の製造方法及び光モジュール
US6205163B1 (en) Single-transverse-mode 1×N multi-mode interferometer type semiconductor laser device
JP3244115B2 (ja) 半導体レーザー
JP6588859B2 (ja) 半導体レーザ
KR100582114B1 (ko) 반도체 디바이스 제작 방법 및 반도체 광 디바이스
JP3745985B2 (ja) 複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素子
JP5206976B2 (ja) 半導体レーザ及びその製造方法
JP3173582B2 (ja) 分布帰還型半導体レーザ
JP2003309322A (ja) 自己形成量子ドットを用いた半導体発光素子
CN113812049B (zh) 一种用于光子集成电路的分布式反馈激光器装置及其改进和制造方法
JPH01164077A (ja) 発光ダイオードおよびその製造方法
US20220045482A1 (en) Improvements in or relating to a distributed feedback laser device for photonics integrated cirtuit and a method of manufacture
JP2950302B2 (ja) 半導体レーザ
EP0332723A1 (en) High-power semiconductor diode laser
JPH11220220A (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
CN112003125A (zh) 一种采用高阶表面光栅的直接调制半导体激光器
JP3700245B2 (ja) 位相シフト型分布帰還半導体レーザ
JPS63213383A (ja) 半導体レ−ザ
JP2003218462A (ja) 分布帰還型半導体レーザ装置
CN104078842A (zh) 光学器件以及光学模块
US20240113504A1 (en) Extended-cavity diode laser component and method for producing same

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40065301

Country of ref document: HK

GR01 Patent grant