CN114761845A - 用于光子集成电路的波导结构 - Google Patents

用于光子集成电路的波导结构 Download PDF

Info

Publication number
CN114761845A
CN114761845A CN202080081845.1A CN202080081845A CN114761845A CN 114761845 A CN114761845 A CN 114761845A CN 202080081845 A CN202080081845 A CN 202080081845A CN 114761845 A CN114761845 A CN 114761845A
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
light
waveguide structure
contact
active region
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.)
Pending
Application number
CN202080081845.1A
Other languages
English (en)
Inventor
埃里克·德·哈恩
瑞·曼纽尔·莱莫斯·阿尔瓦雷斯·多斯·桑托斯
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.)
Simin Photonics Holdings Co ltd
Original Assignee
Simin Photonics Holdings Co 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 Simin Photonics Holdings Co ltd filed Critical Simin Photonics Holdings Co ltd
Publication of CN114761845A publication Critical patent/CN114761845A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
    • 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
    • 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
    • G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
    • 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
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
    • H01S5/0264—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices for monitoring the laser-output
    • 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
    • H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • 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
    • H01S5/0601—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising an absorbing 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
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • 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
    • G02B2006/12097—Ridge, rib or the like
    • 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
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12123—Diode
    • 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
    • G02B2006/12126—Light absorber
    • 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
    • G02B2006/12147—Coupler

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

一种用于光子集成电路的波导结构(100)，所述波导结构包括：衬底；作用区域(102)，其包括二极管结，所述作用区域包括：光发射部分(102a)，其用以在第一方向及垂直于所述第一方向的第二方向上发射光；及光吸收部分(102b)，其用以吸收在所述第二方向上从所述光发射部分(102a)发射的光；第一触点，其对应于所述光发射部分(102a)；以及第二触点，其对应于所述光吸收部分(102b)。

Description

用于光子集成电路的波导结构
背景技术
光子集成电路(PIC)利用波导结构在PIC的部件之间引导光。
未经引导的光可以是PIC的其他部件的噪声源。
可期望降低可由PIC的部件检测到的噪声水平。
附图说明
图1a是根据示例的波导结构的平面图(未按比例绘制)；
图1b是根据示例的波导结构的横截面图(未按比例绘制)；
图2是根据示例的示出制作波导结构的方法的流程图；
图3a是根据示例的波导结构的平面图(未按比例绘制)；
图3b是根据示例的波导结构的横截面图(未按比例绘制)；且
图4是根据示例的波导结构的平面图(未按比例绘制)。
具体实施方式
本文中所描述的示例涉及用于光子集成电路(PIC)的波导结构。PIC可被认为是一种光学电路，其中两个或更多个光子装置(例如，使用光执行功能的装置)以光学方式进行连接。PIC可包括执行功能的部件，所述功能例如包括：发射光；检测光；放大光；引导光；反射光；衍射光；混合不同波长的光；分离不同波长的光；偏光转换；光学过滤；功率分配；幅度调制；及相位调制。PIC可被认为是电子电路的光学模拟。PIC通常在电磁频谱的可见光或近红外线区域中操作(例如，波长在大约400纳米(nm)到大约1650nm的范围中的光)；然而，PIC也可在电磁频谱的其他区域中操作。
用于PIC的在商业上所利用的材料平台是磷化铟(InP)，其允许在同一芯片上集成光学主动及被动功能；然而，诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)或铌酸锂(LiNBO3)等其他材料平台也可用作PIC的平台。PIC可包括集成在单个芯片中的数百个部件。
图1a及图1b是波导结构100的示意图，所述波导结构是光子集成电路(PIC)的部件。图1a是波导结构100的平面图，并且图1b是波导结构100的横截面图，如沿着由线A-A'所指示的波导结构100的引导轴线所看到。
由波导结构引导的光通常不会被波导结构完全局限；一些光从波导逸出且因此在与由波导结构引导的光不同的方向上发射。在一些应用中，此种未经引导的光可非所期望地被PIC的部件检测到，而不是被将波导设计成将光引导到的PIC的部件的部件检测到，或者可影响波导结构本身内的光的放大。此种非未经引导的光是PIC的其他部件的潜在噪声源。本文中所描述的示例减小了此种噪声。
在诸如图1a及图1b的示例中，波导结构100是半导体光学放大器(SOA)。在其他示例中，波导结构100是不同于SOA的部件；例如，波导结构100可以是边缘发射激光器。
波导结构100包括半导体衬底上所形成的半导体结构，在所述半导体衬底上生长有形成波导结构100的各种层。例如，半导体衬底可以是磷化铟(InP)材料，并且在示例中，将下部包覆层沉积到衬底上，其中将具有比下部包覆层高的折射率的下部芯层沉积到下部包覆层上。在示例中，将作用区域102(如下文所描述)沉积到下部芯层上，并且将上部芯层沉积到作用区域上。将具有比上部芯层低的折射率的上部包覆层沉积到作用区域上以形成波导，从而将光导引到上部芯层及下部芯层以增加在波导结构中传播的光与作用区域102之间的相互作用。
在示例中，上部包覆层及下部包覆层、上部芯层及下部芯层以及作用区域102中的每一者包括具有适合于执行所期望功能的厚度及成分的多个不同半导体材料层。
为了形成波导结构100，通常将衬底薄化或移除，并且在半导体结构的p侧及n侧中的每一者上形成触点(例如金属触点)。
作用区域102是波导结构100的包括二极管结(诸如p-n结或p-i-n结)的区域，所述二极管结能够通过电子及空穴的复合来发射光子及/或通过电子空穴对的产生来吸收光子。在简单形式中，二极管结构成n掺杂半导体材料与p掺杂半导体材料之间的界面。然而，现代光子部件通常具有包括用于电子局限的结构(诸如量子阱、量子线或量子点)以将电荷载流子局限到特定空间区域的作用区域，由此改进例如复合速率及/或波导结构以提供光学局限(例如，通过折射率差异来局限光子)来减少光学损失，并且因此增加光子与电荷载流子之间的相互作用(例如，以增加吸收及/或激发发射的速率)。
在示例中，衬底、下部包覆层及下部芯层掺杂有掺杂剂以形成p掺杂半导体材料，并且上部芯层及上部包覆层掺杂有掺杂剂以形成n掺杂半导体层，使得介于p掺杂半导体层与n掺杂半导体层之间的界面在作用区域102处或作用区域102内形成p-n结。在其他示例中，衬底、下部包覆层及下部芯层是n掺杂的，并且上部芯层及上部包覆层是p掺杂的。在一些示例中，作用区域102本身未经掺杂(所谓本征半导体)以形成p-i-n结。
波导结构100还包括一个或多个波导，在诸如图1a及图1b中所展示的示例等示例中，所述波导是通道波导。例如，所述波导是脊形波导或肋形波导。在其他示例中，所述波导是其他形式的波导，诸如经隔离条带波导。
脊形波导是如上文所描述的通道波导的示例。通常，脊形波导的横截面是矩形的(例如，具有平面化顶部表面及两个侧壁表面，每一侧壁表面与具有比制成脊的材料低的折射率的材料形成界面。然而，在示例中，脊的横截面并非完美矩形。例如，侧壁并非直的及/或并非完美垂直于其上形成有脊的衬底。在一些其他示例中，脊形波导的脊的横截面并非矩形的，而是具有不同形状，例如横截面为梯形，或者在其他示例中具有圆形或弯曲侧壁(凸起或凹陷)。
如图1a及图1b中所展示，作用区域102包括光发射部分102a及光吸收部分102b。第一波导对应于光发射部分102a，在下文中称为受驱波导104(因为在正常操作中，波导之下的结是正向偏置的)。在结构上与受驱波导104相同或类似的第二波导对应于光吸收部分102b，在下文中称为吸收体脊106。受驱波导104在施加到受驱波导104的偏置主要影响光发射部分102a这个意义上对应于光发射部分102a，并且吸收体脊106在施加到受驱波导104的偏置主要影响光吸收部分102b这个意义上对应于光发射部分102a。例如，如图1b中所展示，受驱波导104位于光发射部分102a上方(在z轴上)，并且吸收体脊106位于光吸收部分102b上方(在z轴上)。换句话说，至少在y轴上，受驱波导104与光发射部分102a对准或重叠，并且吸收体脊104b与光吸收部分102b对准或重叠。
受驱波导104及吸收体脊106各自例如至少形成于半导体结构的上部包覆层中，并且在一些示例中可包括上部芯层。在一些示例中，如下文所描述，受驱波导104及/或吸收体脊106包括作用区域102。
在所有方向上发射受驱波导104内所产生的光，所述方向包括沿着x轴的第一方向及垂直于第一方向的第二方向(例如沿着y轴。沿着受驱波导104(例如沿着x轴)对受驱波导104内所产生的在满足全内反射条件的方向上发射的光进行引导，但受驱波导104内所产生的在不满足全内反射条件的方向上发射的光(例如，在第二方向上发射的光)从受驱波导104逸出。
在第二方向上发射的光可被吸收体脊106吸收，以防止此种光从波导结构100逸出并例如成为PIC的其他部件的噪声源。
受驱波导104及吸收体脊104在于图1a中由x轴表示的第一方向上纵向延伸。在第一方向上沿着受驱波导104的纵向轴线引导光，使得第一方向基本上平行于受驱波导104的纵向轴线(例如在可接受性能公差内平行于x轴)。
作用区域102是平面的且沿着x轴延伸并且还在垂直于x轴并在图1a及图1b中作为y轴展示的y轴上延伸。受驱波导104及吸收体脊106沿着垂直于x轴及y轴两者的z轴从作用区域102延伸。
诸如受驱波导104等通道波导是例如在两个正交维度上引导光(或任何其他传播的电磁辐射)的波导。引导机制是基于折射率的差异；特定来说，波导的“芯”具有比围绕其的材料(通常称为“包层”)高的折射率，以便提供称为内反射的效果(根据斯涅耳定律)。众所周知，在具有第一折射率的介质中传播并入射到与具有第二不同折射率的介质的光学界面上的光将至少部分地被反射。在第二折射率低于第一折射率的情况下，如果传播的光的入射角(相对于光学界面的平面的法线)大于临界角，那么传播的光将是全反射的。
折射率差异可能是不同固有材料性质(例如，基于组成元素材料的原子间距)的结果及/或可基于外部因素，诸如，外部施加的电场(例如，量子诱导效应)及/或半导体材料的区域中电荷载流子的浓度(例如，增益引导现象)，所述外部因素可影响通过材料传播的电磁场所经历的表观折射率。
在一些示例中，通过蚀刻或以其他方式移除受驱波导104的任一侧的半导体材料以在制造波导结构100的半导体材料的上表面中形成一个或多个纵向凹槽来提供折射率差异。例如，如图1b中所展示，在受驱波导104与吸收体脊106之间，通过移除半导体材料以在吸收体波导106的第一侧上形成第一侧壁112a、在受驱波导104的第一侧上形成第二侧壁112b(与第一侧壁112a相对)以及形成连结第一侧壁112a与第二侧壁112b的基底部分112c来形成第一凹槽。基底部分112c与半导体结构的上表面分开达深度D(对于后续图，当存在相对于半导体结构的上表面具有不同深度的凹槽时，所述深度可按1及/或2递增)。在一些示例中，第一侧壁112a及第二侧壁112b垂直于衬底，并且基底部分112c平行于衬底以形成大致矩形的凹槽(例如，第一侧壁112a及第二侧壁112b以90°±10°与基底部分112c相交)。在其他示例中，第一侧壁112a及第二侧壁112b可在基底部分112c处弯曲相交以形成非矩形凹槽(例如，“U”形凹槽或“V”形凹槽)。
类似地，如图1b中所展示，此种凹槽可形成于受驱波导104的与受驱波导104的第一侧相对的第二侧上以及吸收体脊106的与吸收体脊106的第一侧相对的第二侧上。
如图1b中所展示，凹槽至少部分地填充有固体介电材料113的层或块，所述固体介电材料是在受驱波导104及吸收体脊106形成之后沉积的。例如，凹槽可至少部分地填充有聚酰亚胺材料或用于平面化半导体结构的另一介电材料。例如，凹槽填充有诸如苯并环丁烯(BCB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或SU-8等材料。以这种方式，一旦被制造，波导结构100就可不包括凹槽，因为所述波导结构填充有介电材料，或者存在深度小于D的凹槽，因为所述凹槽已被部分地填充。在其他示例中，填充凹槽的介电材料可以是空气。
受驱波导104位于作用区域102的光发射部分102a上方。与受驱波导104接触的是第一触点108。第一触点108包括例如一个或金属层及一个或多个经掺杂半导体层，所述层经选择以形成电触点，通过所述电触点，电荷载流子(例如电子或空穴)可通过受驱波导104注入到光发射部分102a中及/或从光发射部分102a提取。特定来说，在正常操作中，第一触点108经正向偏置(例如，相对于公共电势，可将正电压施加到第一触点)以在光发射部分102a中提供粒子数反转，使得通过电子空穴复合过程(其包括经放大自发发射及/或受激发射)，光发射部分102a产生光子形式的光。
类似地，吸收体脊106位于作用区域的光吸收部分102b上方。与吸收体脊106接触的是第二触点110。类似于第一触点108，第二触点110包括例如一个或金属层及一个或多个经掺杂半导体层，所述层经选择以形成电触点，通过所述电触点，电荷载流子(例如电子或空穴)可通过吸收体脊106注入到光吸收部分102b中及/或从光吸收部分102b提取。
例如，在受驱波导104及吸收体脊106的上表面上形成第一触点108及第二触点110。在波导结构100的下侧上可沉积又一触点层114以形成接地触点。如图1a及图1b中所展示，又一触点层114可为第一触点108与第二触点110两者之间的电路径提供公共接地。
在使用中，相对于又一触点114，通常将正电压(例如，正向偏置)施加到第一触点108，所述另一触点通常接地(例如处于零伏)，但也可以是浮动的。此种正电压提供了放大光发射部分102a中所接收的光所需的必要粒子数反转。例如，第一触点108可电连接(例如，经由到第一触点108的焊接接合)到第一偏置电路，所述第一偏置电路经布置以将第一偏置(例如，相对于另一触点114的正向偏置)提供到第一触点108，并且第二触点110可电连接(例如，经由到第二触点110的焊接接合)到第二偏置电路，所述第二偏置电路经布置以将第二偏置(例如，相对于另一触点114的负偏置或反向偏置，或者接地偏置，或者浮动偏置)提供到第二触点110。
在使用中，可将所接收光学信号116a施加到受驱波导104的第一端104a。所接收光学信号作为光场116沿着受驱波导104传播，并在其穿过受驱波导104时被放大，且作为经放大输出信号116b在受驱波导104的第二端104b处输出。
可在任何方向上发射光发射部分102a中通过自发发射所发射的光子。那些光子中的一些光子的方向将使得光子被受驱波导104沿着受驱波导104的纵向轴线引导且可有助于经放大自发发射及/或受激发射以及所接收输入信号116a的放大，以产生经放大输出信号116b。其他光子的方向将使得所述光子不被受驱波导104引导并从受驱波导104逸出；此类光子可如上文所述被认为是噪声。
第二触点110可接地(例如处于零伏)或者是浮动的。通过将第二触点110接地，响应于入射光子(例如，在第二方向上从受驱波导104发射的光子)而在吸收体脊106中所产生的电荷载流子被从吸收体脊106移除，使得那些电荷载流子不会复合以产生从吸收体脊106再次发射的光子。在一些示例中，可将相对于另一触点114处的电势的反向偏置施加到第二触点110；在一些示例中，这可提高吸收体脊106的吸收效率。
作用区域102与周围半导体材料之间的至少一个界面可相对于沿着x轴穿过受驱波导104的光在x-y平面中倾斜。其原因是作用区域102的半导体材料与作用区域102周围的半导体材料之间存在折射率差异。此种折射率差异形成了类似于上文关于脊形波导104的操作所描述的反射光学界面；此种反射可能对SOA的操作有害，但通过以如图1a中所展示的角度形成所述界面，那些反射可被引导成远离脊形波导104的轴线，达到防止反射光被脊形波导104引导的程度(例如，超过临界角)。
例如，如图1a中所展示，作用区域102形成为平面图中的梯形，使得作用区域102的每一端与周围半导体材料之间的界面相对于沿着x轴穿过受驱波导104的光处于x-y平面中。
在其他示例中，作用区域102与周围半导体材料之间的一个或多个界面可垂直于沿着x轴穿过受驱波导的光。例如，当波导结构100用于激光装置时，在作用区域102与邻近于作用区域102的半导体材料之间的光学界面处反射的光垂直于受驱波导104的轴线，使得光被反射到受驱波导104中以被放大，这可能是有益的。
图2展示了制作用于光子集成电路的波导结构(诸如上文参考图1a及图1b所描述的波导结构100)的方法。例如，如上文所描述，波导结构可形成于如上文所描述的半导体衬底上且可包括在z轴上提供光局限的芯层及包覆层。
在框202处，对作用区域进行沉积。作用区域包括二极管结，所述二极管结例如包括如上文所描述的p-n结或p-i-n结。例如，衬底、下部包覆层及下部芯层掺杂有掺杂剂以形成p掺杂半导体材料，并且上部芯层及上部包覆层掺杂有掺杂剂以形成n掺杂半导体层，使得p掺杂半导体层与n掺杂半导体层之间的界面在作用区域102处或作用区域102内形成p-n结。在另一示例中，衬底、下部包覆层及下部芯层是n掺杂的，并且上部芯层及上部包覆层是p掺杂的。在一些示例中，作用区域102本身可以是未经掺杂的(所谓的本征半导体)以形成p-i-n结。
在框204处，在作用区域中界定光发射部分。例如，光发射部分对应于上文参考图1b所描述的光发射部分102a且可例如由上文参考图1a及图1b所描述的受驱波导104界定。例如，光发射部分由作用区域102的一部分界定，如图1b中所展示，所述部分与位于光发射部分102a上方的受驱波导104对准或重叠。在关于方法200使用所定义的术语的情况下，所述术语用于解释将对应特征例如形成(例如，通过蚀刻或沉积工艺，利用适当掩模)为至少在y轴上彼此对准或重叠。
在框206处，在作用区域中界定光吸收部分。例如，光吸收部分对应于上文参考图1b所描述的光吸收部分1-2b且例如由上文参考图1a及图1b所描述的吸收体脊106界定。例如，光吸收部分由作用区域的一部分界定，如图1b中所展示，所述部分与位于光吸收部分102b上方的吸收体脊106对准或重叠。
在框208处，界定对应于光发射部分(例如上文参考图1b所描述的光发射部分102a)的第一触点。例如，第一触点是形成于受驱波导104上或与受驱波导104接触的电触点，例如上文参考图1a及图1b所描述的第一触点108。
在框210处，界定对应于光吸收部分(例如上文参考图1b所描述的光吸收部分102b)的第二触点。例如，第二触点是形成于吸收体脊106上或与吸收体脊106接触的电触点，诸如上文参考图1a及图1b所描述的第二触点110。
在一些示例中，第一触点及第二触点形成于介电材料中的开口中，所述介电材料沉积在光发射部分及光吸收部分中的波导之上。例如，如上文所描述，在受驱波导104与吸收体脊106之间可存在如图1a及图1b中所展示的凹槽。如上文所描述，凹槽可填充有介电材料。实际上，介电材料的应用可导致过量介电材料沉积到受驱波导104及吸收体脊106的表面上，可期望与所述表面形成电接触。因此，在一些示例中，方法200包括在此种上覆介电材料中制备开口以提供对受驱波导104及吸收体脊106的接达。例如，方法200包括用以界定导电触点将要施加到的受驱波导104及/或吸收体脊106的部分的一个或多个光刻步骤以及用以从导电触点将要施加到的受驱波导104及/或吸收体脊106的所界定部分移除介电材料的后续蚀刻工艺。
上文参考图1a及图1b所描述的示例提供了一种吸收未沿着受驱波导104引导的光(例如，吸收在第二方向上发射的光)的结构。设想提供对未沿着受驱波导104引导的光的经改进吸收的其他结构。
例如，图3a及图3b分别是根据其他示例的波导结构300的平面图及横截面图。波导结构300类似于图1a及图1b中所展示的波导结构且可根据与上文参考图2所描述的方法类似的方法来制造。因此，图3a及图3b中所展示的出现在图1a及图1b中的特征被赋予相同参考标记(当在此示例中有一个以上先前描述的特征时，按a及/或b递增)，并且那些特征的先前描述也酌情适用于此。图3a是波导结构300的平面图，并且图3b是波导结构300的横截面图，如沿着波导结构300的由线B-B'指示的引导轴线所看到。
图3a及图3b中所展示的波导结构300与图1a及图1b所展示的波导结果的不同之处在于，波导结构300包括两个吸收体脊：位于受驱波导104的一侧处的第一吸收体脊106a以及位于受驱波导104的另一侧处的第二吸收体脊106b。因此，在图3a及图3b中所展示的示例中，并未沿着受驱波导104引导而是在第二方向上发射的光可在光在负y方向上从受驱波导104发射的情况下被第一吸收体脊106a吸收，并且在光在正y方向上从受驱波导104在与第二方向相反的第三方向上发射的情况下被第二吸收体脊106b吸收。
图3a及图3b中所展示的波导结构300包括上文参考图1a及图1b所描述的凹槽中的两者。两个凹槽含有如上文所描述的介电材料113。在图3b中所展示的示例中，第一凹槽302相对于半导体结构的上表面具有第一深度D1，并且第二凹槽304相对于半导体结构的上表面具有第二深度D2。在图2中，深度D1与D2相等(至少在可接受制造公差范围内)。
对应于第一吸收体脊106a及第二吸收体脊106b的触点110a、110b可以都接地、浮动或偏置到相同反向偏置或者可偏置到不同偏置以提供对相应吸收体脊106a、106b的吸收的独立控制。
图4是根据其他示例的波导结构400的平面图。波导结构300类似于图3a及图3b中所展示的波导结构且可根据上文面参考图2所描述的方法制造。因此，图4中所展示的出现在图3a及图3b(以及图1a及图1b)中的特征被赋予相同参考标记(当在此示例中存在一个以上先前所描述的特征时，按a及/或b递增)，并且那些特征的先前描述也酌情适用于此。
在图4中所展示的示例中，第一触点108形成于沉积在受驱波导104上方的介电材料113中的开口402之上。开口402沿着受驱波导104延伸一定长度。在其他示例中，可用半导体材料替换介电材料113，并且可在半导体材料上形成第一触点108。
吸收体脊106a、106b包括一个或多个延伸部，所述延伸部经布置以增加对未被受驱波导104引导的光的吸收。例如，如图4中所展示，存在延伸部404a到404d，所述延伸部在y方向上从相应吸收体脊106a、106b的端部朝向受驱波导104延伸。在示例中，每一此种延伸部404a到404d在沿着x轴的位置处从相应吸收体脊106a、106b的相应端延伸。因此，例如，第一延伸部404a沿着y轴从吸收体脊106a的第一端延伸，并且第二延伸部404b沿着y轴从吸收体脊106b的第二端延伸。第三延伸部404c及第四延伸部404d类似地从另一吸收体脊106b的第一端及第二端延伸。这提供了对未被受驱波导402引导的光的经改进吸收；特定来说，具有在x方向上的分量使得其可能会错过吸收体脊106a、106b的光可能被延伸部404吸收且因此防止所述光从波导结构400逸出。
上述示例应理解为本发明的说明性示例。例如，尽管在上文所描述以及图1b及图3b的横截面图中所展示的示例中，凹槽不穿透作用区域，但在其他示例中，凹槽中的一者或多者可具有延伸到或延伸超出作用区域102的深度D。这可在受驱波导104与吸收体脊106a、106b之间提供经改进电隔离。此外，虽然在图3b中所展示的示例中，凹槽302、304的深度D1、D2相等，但在其他示例中，深度D1、D2不相等。在一些此类示例中，第一凹槽302的深度D1使得凹槽302延伸穿过作用区域102，而第二凹槽的深度D2使得凹槽304不延伸穿过作用区域102。在其他示例中，第一凹槽302及第二凹槽304两者的深度D1、D2使得两个凹槽都延伸穿过作用区域102。
应理解，关于任何一个示例所描述的任何特征可单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且还可与任何其他示例的一个或多个特征结合使用，或者与任何其他示例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，也可采用上文未描述的等效内容及修改。

Claims (21)

1.一种用于光子集成电路的波导结构，所述波导结构包括：
衬底；
作用区域，其包括二极管结，所述作用区域包括：
光发射部分，其用以在第一方向及垂直于所述第一方向的第二方向上发射光；及
光吸收部分，其用以吸收在所述第二方向上从所述光发射部分发射的光；
第一触点，其对应于所述光发射部分；以及
第二触点，其对应于所述光吸收部分。
2.根据权利要求1所述的波导结构，其中所述第一触点经配置以将所述光发射部分电连接到第一偏置电路，并且所述第二触点经配置以将所述光吸收部分电连接到第二偏置电路。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的波导结构，其中所述光吸收部分是第一光吸收部分，并且所述波导结构包括：
第二光吸收部分，其用以吸收在与所述第二方向相反的第三方向上从所述光发射部分发射的光；及
第三触点，其对应于所述第二光吸收部分。
4.根据权利要求3所述的波导结构，其中所述第一触点介于所述第二触点与所述第三触点之间。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的波导结构，其中所述光发射部分位于所述第一光吸收部分与所述第二光吸收部分之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的波导结构，其包括具有大致平行于所述第一方向的纵向轴线的脊形波导。
7.根据权利要求6所述的波导结构，其包括用于引导光的波导部分以及用于吸收不由所述波导部分导引的光的吸收体部分，其中所述波导部分与所述吸收体部分分离。
8.根据权利要求7所述的波导结构，其中所述波导部分通过所述波导结构中的凹槽与所述吸收体部分分离，所述凹槽包括：在所述波导部分的第一侧上的第一侧壁、在所述吸收体部分的第一侧上的第二侧壁以及连结所述第一侧壁与所述第二侧壁的基底部分。
9.根据权利要求8所述的波导结构，其中所述凹槽的深度从所述波导结构的上表面延伸到不如所述作用区域所位于的深度深的位置。
10.根据8所述的波导结构，其中所述凹槽的深度从所述波导结构的上表面延伸到比所述作用区域所位于的深度深的位置。
11.根据权利要求7所述的波导结构，其中所述波导部分通过以下各项中的至少一者与所述吸收体部分分离：半导体材料；介电材料；空气；聚酰亚胺；苯并环丁烯(BCB)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；或SU-8。
12.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中所述作用区域包括相对于所述第一方向倾斜的与周围半导体材料的界面。
13.根据前述权利要求中任一项所述的波导结构，其中所述作用区域是其中电子空穴对能够复合以发射光子及/或光子能够被吸收以产生电子空穴对的区域。
14.根据任一前述权利要求所述的波导结构，其中所述作用区域包括一个或多个量子阱。
15.一种半导体光学放大器，其包括前述权利要求中任一项所述的波导结构。
16.一种光子集成电路，其包括权利要求1至权利要求14中任一项所述的波导结构或者权利要求15所述的半导体光学放大器。
17.根据权利要求16所述的光子集成电路，其包括：
第一偏置电路，其经布置以将正向偏置提供到所述第一触点以在所述作用区域的所述光发射部分中产生光；
第二偏置电路，其经布置以将接地偏置、浮动偏置或反向偏置提供到所述第二触点以在所述作用区域的所述光吸收部分中提取所产生的电荷载流子。
18.一种制作用于光子集成电路的波导结构的方法，所述方法包括：
沉积包括二极管结的作用区域；
在所述作用区域中界定光发射部分，所述光发射部分用以在第一方向及垂直于所述第一方向的第二方向上发射光；
界定光吸收部分以吸收在所述第二方向上从所述光发射部分发射的光；
界定对应于所述光发射部分的第一触点；及
界定对应于所述光吸收部分的第二触点。
19.根据权利要求18所述的方法，其包括：
沉积界定脊形波导的蚀刻掩模；及
蚀刻所述脊形波导外部的材料以在所述脊形波导外部形成一个或多个凹槽。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其包括：
将介电材料沉积在所述脊形波导之上且在所述一个或多个凹槽中；
在所述脊形波导之上的所述介电材料中形成开口；及
在所述开口中界定所述第一触点。
21.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其包括：
将半导体材料沉积在所述脊形波导之上且在所述一个或多个凹槽中；及
在所述半导体材料上界定所述第一触点。
CN202080081845.1A 2019-11-26 2020-11-26 用于光子集成电路的波导结构 Pending CN114761845A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1917186.7A GB2590075A (en) 2019-11-26 2019-11-26 Waveguide structure for a photonic integrated circuit
GB1917186.7 2019-11-26
PCT/EP2020/083443 WO2021105256A1 (en) 2019-11-26 2020-11-26 Waveguide structure for a photonic integrated circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114761845A true CN114761845A (zh) 2022-07-15

Family

ID=69137254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080081845.1A Pending CN114761845A (zh) 2019-11-26 2020-11-26 用于光子集成电路的波导结构

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220276439A1 (zh)
EP (1) EP4066029A1 (zh)
JP (1) JP2023503861A (zh)
CN (1) CN114761845A (zh)
GB (1) GB2590075A (zh)
WO (1) WO2021105256A1 (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5007063A (en) * 1990-02-12 1991-04-09 Eastman Kodak Company Laser diode
CN104022441A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 具有带有单层光学涂层的窗的经蚀刻小面激光器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4235920C1 (de) * 1992-10-23 1993-11-25 Siemens Ag Monolithisch integrierte Laserdiode-Koppler-Kombination
US5287376A (en) * 1992-12-14 1994-02-15 Xerox Corporation Independently addressable semiconductor diode lasers with integral lowloss passive waveguides
DE69415576T2 (de) * 1993-03-15 1999-06-17 Canon Kk Optische Vorrichtungen und optische Übertragungssystemen die diese verwenden
JP2000277869A (ja) * 1999-03-29 2000-10-06 Mitsubishi Electric Corp 変調器集積型半導体レーザ装置及びその製造方法
US20160291269A1 (en) * 2015-04-01 2016-10-06 Coriant Advanced Technology, LLC Photonic integrated circuit chip packaging

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5007063A (en) * 1990-02-12 1991-04-09 Eastman Kodak Company Laser diode
CN104022441A (zh) * 2013-02-28 2014-09-03 安华高科技通用Ip(新加坡)公司 具有带有单层光学涂层的窗的经蚀刻小面激光器

Also Published As

Publication number Publication date
US20220276439A1 (en) 2022-09-01
WO2021105256A1 (en) 2021-06-03
GB2590075A (en) 2021-06-23
JP2023503861A (ja) 2023-02-01
EP4066029A1 (en) 2022-10-05
GB201917186D0 (en) 2020-01-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8472494B2 (en) Semiconductor laser silicon waveguide substrate, and integrated device
KR101594467B1 (ko) 하이브리드 레이저
US8994004B2 (en) Hybrid silicon optoelectronic device and method of formation
US5121182A (en) Integrated optical semiconductor device
US7733934B2 (en) Optical waveguide and semiconductor optical element
CN210864104U (zh) 光电子装置及其阵列
JPH0927658A (ja) 半導体光集積回路およびその製造方法
EP0729208B1 (en) Semiconductor light source having a spectrally broad, high power optical output
US6646317B2 (en) High power photodiode
US11942761B2 (en) Optical semiconductor integrated element
US20220276439A1 (en) Waveguide structure for a photonic integrated circuit
US20170194766A1 (en) Optical device and optical module
JP4948469B2 (ja) 半導体光デバイス
US6760141B2 (en) Semiconductor optical modulator and semiconductor optical device
US6865205B2 (en) Semiconductor laser
US11128102B2 (en) Semiconductor optical device
US7848375B1 (en) Ridge waveguide laser with flared facet
JP3393634B2 (ja) スーパールミネッセントダイオード
JPH04134896A (ja) 集積化光半導体素子
US11988872B2 (en) Optical waveguide coupling using fabricated waveguide coupling structures
CN112350148A (zh) 半导体光学元件和包括该元件的半导体光学装置
CN114678767A (zh) 半导体光元件及其制造方法
JPH07312457A (ja) 半導体レーザ装置
Liang et al. Compact hybrid Si microring lasers

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