DE112008003845T5

DE112008003845T5 - System und Verfahren für einen Mikroringlaser

Info

Publication number: DE112008003845T5
Application number: DE112008003845T
Authority: DE
Inventors: Qianfan Palo Alto Xu; Marco Palo Alto Fiorentino; Raymond G. Redmond Beausoleil
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2028-05-07
Also published as: KR20110007617A; JP2011520282A; DE112008003845B4; JP5179654B2; WO2009136913A1; CN102017336A; US20110064106A1; CN102017336B; US8891577B2

Abstract

Ein elektrisch gepumptes Hybrid-III–V-Gruppe-und-Silizium-Lasersystem, das Folgendes umfasst:
einen Silizium-Mikroringresonator 405;
eine Quanten 412-Mulde, die aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet und mit dem Silizium-Mikroringresonator 405 optisch gekoppelt ist, um eine optische Verstärkung zu liefern;
einen trapezförmigen Puffer 414, der aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, das mit einem ersten Trägertyp dotiert ist, wobei der trapezförmige Puffer 414 mit der Quantenmulde 412 optisch gekoppelt ist;
eine mit dem trapezförmigen Puffer 414 gekoppelte Ringelektrode 410, wobei der trapezförmige Puffer 414 ermöglicht, dass die Ringelektrode 410 von einer optischen Mode des Mikroringresonators 405 im Wesentlichen isoliert ist.

Description

HINTERGRUND
Da die Rechenleistung und Datenspeicherkapazitäten in den letzten Jahrzehnten exponentiell zugenommen haben, ist auch eine entsprechende Menge an gespeicherten Daten exponentiell gewachsen. Computer, die einst die Domäne von Textdateien und einigen wenigen Bildern geringer Auflösung waren, werden nun oft dazu verwendet, Tausende von hochauflösenden Bildern und Videoaufnahmen von mehreren Stunden zu speichern. Fernseher werden aufgerüstet, um hochauflösendes Video zu zeigen. Neue Generationen optischer Platten wurden entwickelt, um das hochauflösende Video zu fassen. Die Platten können auf jeder Seite ganze 50 Gigabytes fassen. Dies reicht aus, um mehrere Stunden Video in einem hochauflösenden Format zu speichern. Es werden immer dichtere Speicherformate entwickelt, um die zunehmenden Mengen an Informationen zu speichern.
Es wird schwieriger, die riesigen Mengen an digitalen Informationen zu bewegen und zu übertragen. Jedes Jahr stehen mehr elektronische Vorrichtungen zur Verfügung, die mit anderen Vorrichtungen digital kommunizieren können. Elektronik, einschließlich Computern, hochauflösenden Fernsehens, hochauflösenden Funks, digitaler Musikabspielgeräte, tragbarer Computer und vieler anderer Arten von Vorrichtungen, wurde dahin gehend entworfen, große Mengen an Informationen zu senden und zu empfangen. Heutzutage empfangen viele Computer Breitband-Internet, das im gesamten Privatbereich gesendet wird. Fernseher empfangen Mehrfach-Hochauflösung-Signale von Kabel- und Faseroptik.
Um die in Computern gespeicherten riesigen Datenmengen zu übertragen und an Fernseher und andere Elektronikvorrichtungen rundzusenden, werden die Daten mit immer höheren Geschwindigkeiten übertragen. Jedoch halten die Übertragungsraten mit der Explosion an Daten nicht Schritt. Um beispielsweise einen typischen hochauflösenden Film von 15 Gigabyte von einer optischen Platte an ein Heimunterhaltungssystem zu übertragen, müssen zwanzig Minuten lang 100 Megabits pro Sekunde übertragen werden. Für viele Nutzer kann es lästig sein, zum Übertragen eines Films 20 Minuten zu brauchen.
Desgleichen ist zwischen Prozessoren, Speicher, sonstigen Chips und Computerkarten in einem Computersystem eine Kommunikation höherer Bandbreite erforderlich. Eine Möglichkeit, die zum Bewegen großer Mengen digitaler Informationen zwischen Computerchips benötigte Zeit zu reduzieren, besteht darin, die Informationen mit höheren Geschwindigkeiten zu senden. Übertragungsgeschwindigkeiten, die große Datenvolumina in angemessener Zeit bewegen können, sind bisher jedoch zu teuer, um in der Unterhaltungselektronik umfassend eingesetzt zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines elektrisch gepumpten Hybrid-III–V-Silizium-Mikroringlasersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer simulierten optischen Mode unter Verwendung der in 1 veranschaulichten Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht eine Draufsicht eines elektrisch gepumpten Mikroringlasersystems, das mit einem optischen Wellenleiter evaneszent gekoppelt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines elektrisch gepumpten Mikroringlasersystems, das einen trapezförmigen Puffer aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer simulierten optischen Mode unter Verwendung der in 4 veranschaulichten Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bilden eines elektrisch gepumpten Lasers zum Stimulieren von Licht einer ausgewählten Wellenlänge zeigt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Optoelektronische Integration auf Silizium ist eine Technologie, die zum Bauen optischer Verbindungssysteme und anderer umfassender photonischer Systeme auf einem Chip verwendet wird. Integrierte photonische Systeme verwenden üblicherweise eine kostengünstigere und leicht zu integrierende elektrisch gepumpte Laserquelle. Jedoch ist Silizium durch seine grundlegenden Materialeigenschaften eingeschränkt und kann somit die beim Laserbetrieb verwendete elektrisch gepumpte optische Verstärkung nicht auf effiziente Weise bereitstellen. Deshalb kann eine Hybridintegration von Verstärkungsmaterial, z. B. auf einer Siliziumplattform befindlichen Halbleitern der Gruppe III–V, dazu verwendet werden, einen chipinternen elektrisch gepumpten Laser zu bauen.
Damit die integrierte elektrisch gepumpte Laserquelle vermarktbar ist, muss der Vorgang des Integrierens des Verstärkungsmaterials der Gruppe III–V auf das Silizium relativ kostengünstig und einfach zu implementieren sein. Bei einem Ausführungsbeispiel liefert die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Herstellen eines Mikroringresonators, der als relativ kleine chipinterne Laserquelle verwendet werden kann, die bei Geschwindigkeiten von mehr als einem Gigahertz direkt moduliert werden kann. Eine einen Ringmodulator verwendende elektrisch gepumpte Laserquelle kann dazu verwendet werden, Informationen über einen Chip und anschließend chipextern an Wellenleiter und benachbarte elektronische Vorrichtungen zu senden. Die einen Ringmodulator verwendende elektrisch gepumpte Laserquelle kann relativ kostengünstig implementiert werden, da sie sich auf Waferbonding stützt, das keine kritische Ausrichtung bei dem Bondingschritt erfordert, wie dies üblicherweise beim Chipbonden erforderlich ist.
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines elektrisch gepumpten Hybrid-III–V-Silizium-Mikroringlasersystems 100. Bei diesem Beispiel ist ein Siliziumsubstrat 102 dahin gehend veranschaulicht, das Lasersystem zu halten. Andere Arten von Substraten, die bei Halbleiterherstellungsprozessen verwendet werden, werden als in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten angesehen. Eine untere Ummantelung 104 kann auf dem Siliziumsubstrat gebildet sein. Ein Silizium-Mikroringresonator 105 kann auf der Oberfläche der unteren Ummantelung aufgebaut sein. Die untere Ummantelung wird dazu verwendet, Licht in dem Silizium-Mikroringresonator im Wesentlichen einzuschränken.
Die untere Ummantelung kann aus einem Material aufgebaut sein, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators, und das bei der Wellenlänge von in den Resonator eingekoppeltem Licht im Wesentlichen transparent ist. Beispielsweise kann die untere Ummantelung unter Verwendung von Siliziumdioxid gebildet werden. Alternativ dazu kann die untere Ummantelung aus einem Material wie z. B. Siliziumnitrid oder einem anderen Material, das die obigen Anforderungen erfüllt, gebildet sein. Der Bereich innerhalb 120 und außerhalb 106 des Mikroringresonators kann ebenfalls aus einem Material gebildet sein, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Resonators, und das bei der Wellenlänge von in den Resonator eingekoppeltem Licht im Wesentlichen transparent ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Bereich innerhalb und außerhalb des Mikroringresonators aus Luft oder einem Vakuum gebildet sein. Alternativ dazu kann eine andere Substanz wie z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verwendet werden.
Der Silizium-Mikroringresonator 105 kann einen Radius aufweisen, der ungefähr proportional zu einer oder etwas kleiner als eine Wellenlänge des Lichts ist, das seitens des Mikroringresonators getragen wird. Alternativ dazu kann der Radius des Silizium-Mikroringresonators größer sein als die Wellenlänge des Lichts. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Lichts 1,54 Mikrometer betragen, und der Radius des zum Tragen des Lichts konfigurierten Mikroringresonators kann etwa 3 Mikrometer betragen. Übliche Abmessungen für den Silizium-Mikroringresonator können von 2,5 Mikrometer bis zu mehreren zehn Mikrometern variieren, je nach der Wellenlänge des Lichts und anderen Entwurfsüberlegungen. Andere Wellenlängen von Licht können ebenfalls verwendet werden, z. B. die in der Telekommunikation gebräuchliche Wellenlänge von 1,31 Mikrometern. Der Silizium-Mikroringresonator kann dahin gehend entworfen sein, Wellenlängen von Licht zu führen, das von tiefem Infrarot bis zu ultraviolettem Licht reicht.
Ein PN-Übergang kann über eine Quantenmulde 112, die mit dem Mikroringresonator 105 optisch gekoppelt ist, hinweg gebaut sein. Eine Quantenmulde ist eine Potentialmulde, die Träger, die sich ursprünglich in drei Dimensionen frei bewegen konnten, auf zwei Dimensionen beschränkt, wodurch sie sie zwingt, eine planare Region zu belegen. Aufgrund ihrer quasi zweidimensionalen Beschaffenheit weisen Elektronen in Quantenmulden eine schärfere Zustandsdichte auf als Vollmaterialien. Die Quantenmuldenstruktur wird dazu verwendet, die Zustandsdichte des Halbleiters zu verändern, und führt zu einem verbesserten Halbleiterlaser, der weniger Träger (Elektronen und Löcher) erfordert, um eine Laserschwelle zu erreichen, als andere Arten von Strukturen, beispielsweise eine herkömmliche Doppelheterostruktur. Die Quantenmulde kann aus einem Material der Gruppe III–V gebildet sein, beispielsweise Indiumphosphid, Indiumgalliumarsenidphosphid und dergleichen. Bei den offenbarten Ausführungsbeispielen kann bzw. können eine einzelne oder mehrere Quantenmulden verwendet werden, wie einleuchten wird. Die Quantenmulde 112 kann mit einer Pufferschicht 108 wafergebondet sein. Ein Waferbonden der Quantenmulde mit der Pufferschicht kann für niedrigere Toleranzen bei der Hersteller der Vorrichtung sorgen, wie zuvor erörtert wurde.
Der durch die zwei Kontakte 108, 114 gebildete PN-Übergang kann auch aus einem Material der Gruppe III–V gebildet sein, wobei das Material mit einem Träger dotiert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein n-dotierter Kontakt 108 direkt auf dem Silizium-Mikroringresonator 105 platziert werden. Halter 118 können dazu verwendet werden, den n-dotierten Kontakt zu tragen. Die Quantenmulde 112 kann auf dem n-dotierten Kontakt platziert und kollinear mit dem Mikroringresonator ausgerichtet werden, um zu ermöglichen, dass die Quantenmulde mit dem Mikroringresonator optisch gekoppelt wird. Ein p-dotierter Kontakt 114 kann auf der dem n-dotierten Kontakt gegenüberliegenden Seite der Quantenmulde platziert werden, um einen PN-Übergang zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Quantenmulde als intrinsische Schicht angesehen werden. Der p-Kontakt, der n-Kontakt und die Quantenmulde können dann als PIN-Übergang angesehen werden.
Elektroden 116 und 110 können gemäß der Darstellung in 1 positioniert werden, um den PN-Übergang in Durchlassrichtung vorzuspannen, um Träger in der Quantenmulde 112 zu liefern. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Elektroden aus einem metallischen Material gebildet sein. Alternativ dazu kann ein im Wesentlichen leitfähiges, nicht-metallisches Material oder ein Verbundwerkstoff dazu verwendet werden, Strom in die Quantenmulde zu injizieren. Die Mittelelektrode 116 kann mit dem p-Kontakt 114 gekoppelt und koaxial mit der Quantenmulde und Mikroringresonator 105 positioniert sein. Ein Abstand 117 zwischen dem Außenrand der Mittelelektrode und dem Innenrand des Mikroringresonators kann etwa 0,3 bis 1,0 Mikrometer betragen. Eine Außenelektrode 110 kann sich außerhalb des Mikroringresonators befinden. Die Außenelektrode kann einen Abstand 113 von 0,5 bis 1,0 Mikrometer von der Quantenmulde aufweisen. Die kombinierte Dicke 115 des n-Kontakts 108, der Quantenmulde 112 und des p-Kontakts kann ungefähr 0,2 bis 0,4 Mikrometer betragen. Die Elektroden können dazu verwendet werden, den PN-Übergang in Durchlassrichtung vorzuspannen und Strom in die Quantenmulde zu injizieren. Natürlich können der n- und der p-dotierte Kontakt umgeschaltet werden, und die Vorspannung kann umgekehrt werden, um dasselbe Ergebnis zu erzielen.
Bei früheren elektrisch gepumpten Diodenlasern weisen die Elektroden, die das Halbleitermaterial berühren, hohe optische Verluste auf. Deshalb sind die Elektroden üblicherweise von der optischen Mode des Resonators isoliert. Dies bedeutet, dass die Elektroden mehrere Mikrometer von der Mitte des optischen Resonators entfernt platziert werden müssen. Bei dem in 1 veranschaulichten elektrisch gepumpten Lasersystem 100 ist das Quantenmulde 112-Verstärkungsmedium auf dem siliziumbasierten Mikroringresonator 105 gebondet.
Eine Modenisolierung von einer oberen Elektrode verwendet üblicherweise eine relativ dicke Pufferschicht zwischen der Quantenmulde und der Mittelelektrode. Diese Pufferschicht weist einen Brechungsindex auf, der nahe bei dem von Silizium liegt. Das Vorliegen dieser dicken Pufferschicht kann die Fähigkeit, Licht in einem Mikroringresonator zu beschränken, beträchtlich einschränken, da sich die optische Mode in diese Pufferschicht hinein ausbreitet, statt dem stark gebogenen Pfad des Mikroringresonators zu folgen. Frühere Versuche, dieses Problem zu überwinden, beinhalteten ein Bauen eines Ringresonators mit einem Umfang von über 2 Millimetern. Ein Ringresonator dieser Größe ist für eine Integration in einen Mikrochip ziemlich groß. Außerdem kann ein großer Ringresonator üblicherweise nicht bei einer ausreichend hoher Geschwindigkeit moduliert werden, die für chipinterne und -externe Kommunikationen benötigt wird.
Die in 1 veranschaulichte Struktur befähigt die Mittelelektrode 116, von der Quantenmulde 112 isoliert zu werden, indem die Elektroden in der horizontalen Richtung verschoben werden. Eine der Kontaktelektroden (die p-Elektrode 116 in 1) wird in den Siliziumring platziert. Die andere Elektrode wird außerhalb des Rings platziert, wie zuvor erörtert wurde. Beide Elektroden sind in einem Abstand von ungefähr 0,3 bis 1,0 Mikrometern von dem Siliziumring 105, wo die optische Mode geführt wird, angeordnet. Dies ermöglicht, dass eine relativ dünne Schicht aus einem Material der Gruppe III–V auf dem Siliziumring angeordnet ist, um sich mit der optischen Mode zu überlappen und um die optische Verstärkung zu liefern, die zum Erzielen eines Lasers nötig ist. Diese dünne Verstärkungsschicht beeinflusst die Fähigkeit der optischen Mode, sich zu biegen und in Mikroringhohlräumen eingeschlossen zu bleiben, nicht beträchtlich. Modellbildung und Simulation haben gezeigt, dass der Mikroringresonator mit der in 1 veranschaulichten Struktur einen Radius von 2,5 Mikrometern oder weniger aufweisen kann.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer simulierten optischen Mode unter Verwendung der in 1 veranschaulichten Struktur. Eine erste Seite des Silizium-Mikroringresonators 105 ist dahin gehend gezeigt, dass die optische Mode 202 im Wesentlichen in dem Silizium-Mikroringresonator getragen wird. Die tatsächliche Größe der optischen Mode hängt von der Art der Mode, die durch den Mikroringresonator gehalten wird, und von der Wellenlänge des Lichts in dem Resonator ab. Ein Teil der optischen Mode kann sich durch den n-Kontakt 108 und in die Quantenmulde 112 hinein erstrecken. Wie zuvor erörtert wurde, kann die Quantenmulde eine Einzel- oder Mehrfach-Quantenmuldenkonfiguration sein. Der Teil der optischen Mode, der sich in die Quantenmulde hinein erstreckt, kann verstärkt werden, während der PN-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt wird, um Strom in die Quantenmulde zu leiten und den Teil der optischen Mode, der mit der Quantenmulde gekoppelt ist, elektrisch zu pumpen. Das Licht in der Quantenmulde wird verstärkt und zu dem Resonator zurückgeleitet. Die optische Mode kann mit der Quantenmulde evaneszent gekoppelt werden.
3 veranschaulicht eine Draufsicht auf das elektrisch gepumpte Hybrid-III–V-Silizium-Mikroringlasersystem 100. Die Mittelelektrode 116 ist in der Mitte des Mikroringresonators 105 gezeigt. Ein Teil des n-Kontakts 108 ist zwischen der Mittelelektrode 116 und der Außenelektrode 110 gezeigt. Ein optischer Wellenleiter 302 kann in der Nähe des Lasersystems angeordnet sein, um dem verstärkten Licht in dem Mikroringresonator zu ermöglichen, evaneszent in den Wellenleiter eingekoppelt zu werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Umwicklungswellenleiter dazu verwendet werden, die Menge an Licht, das sich von dem Lasersystem in den Wellenleiter evaneszent einkoppelt, zu erhöhen. Der Wellenleiter kann in einem Abstand 306 von weniger als einem Drittel der Wellenlänge des Lichts platziert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Wellenleiter in einem Abstand von 0,200 Mikrometer (200 Nanometer) von dem Mikroringresonator 105 platziert sein. Die Breite 304 des Wellenleiters kann in der Größenordnung von 0,450 bis 0,500 Mikrometern liegen. Der Wellenleiter kann dazu verwendet werden, Licht weg 308 von dem Laserresonator zu anderen Teilen einer integrierten Schaltung oder zu nahegelegenen Chips oder anderen Komponenten auf einer Schaltungsplatine zu tragen.
Die Struktur des elektrisch gepumpten Hybrid-III–V-Silizium-Mikroringlasersystems 100 liefert mehrere Vorteile gegenüber früheren Hybridlasersystemen. Erstens ermöglicht die kompakte Größe des Lasers eine umfassende Integration einer großen Anzahl der Laser-auf-Chip-Systeme, ohne dass sehr viel Platz auf dem Chip eingenommen wird. Zweitens kann der Silizium-Mikroringresonator 105 unter Verwendung von CMOS-kompatiblen Techniken der Industrienorm hergestellt werden. Drittens ermöglicht das geringe Volumen des Mikroringresonators eine leistungsarme, direkte Modulation des Lasers mit hoher Geschwindigkeit (> 1 GHz), indem ein moduliertes Signal an den die Quantenmulde umgebenden PN-Übergang angelegt wird. Dadurch können Daten auf kostengünstige Weise mit relativ hohen Raten übertragen werden, wodurch Bandbreitenengpässe, die bei integrierten elektrischen Systemen auftreten, verringert oder eliminiert werden. Viertens liefert der Mikroringresonator 105 eine viel größere Longitudinalmode-Beabstandung als andere Hybridsiliziumlaserkonfigurationen wie z. B. die Rennbahnkonfiguration. Die Longitudinalmodenbeabstandung ist umgekehrt proportional zu der Länge des Mikroringresonators. Die größere Modenbeabstandung kann ein Einfach-Longitudinalmode-Lasern ermöglichen, was zu einer viel höheren Qualität des aus dem Mikroringresonator ausgegebenen Laserlichts führt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist in 4 eine zusätzliche Struktur für ein elektrisch gepumptes Hybrid-III–V-Silizium-Mikroringlasersystem 400 veranschaulicht. Das bei der Querschnittsveranschaulichung der 4 veranschaulichte Ausführungsbeispiel umfasst ein Substrat 402, das mit einer unteren Ummantelung 404 gekoppelt ist, die mit einem Silizium-Mikroringresonator 405 optisch gekoppelt ist. Die untere Ummantelungsschicht ist aus einem Material gebildet, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators, und das bei einer Wellenlänge von Laserlicht in dem Mikroringresonator im Wesentlichen optisch transparent ist. Bezüglich des Resonators sind ein innerer Zwischenraum 420 und ein äußerer Zwischenraum 406 gezeigt. Der innere und der äußere Zwischenraum können aus einem Material gebildet sein, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators, und das bei einer Wellenlänge von Laserlicht in dem Resonanzhohlraum im Wesentlichen optisch transparent ist, z. B. Luft, Vakuum, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen.
Es ist ein trapezförmiger Puffer 414 gezeigt, der aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet und mit einem ersten Trägertyp dotiert ist. Der Träger kann entweder ein Träger vom n-Typ oder ein Träger vom p-Typ sein. Der trapezförmige Puffer 414 ist mit der Quantenmulde 412 optisch gekoppelt. Ein aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildeter und mit einem zweiten Träger, der eine zu dem ersten Träger entgegengesetzte Ladung aufweist, dotierter zweiter Puffer 408 ist zwischen einer Quantenmulde 412 und dem Silizium-Mikroringresonator 405 angeordnet. Der zweite Puffer weist eine ausreichende Länge auf, um mit beiden Seiten des Silizium-Mikroringresonators eine Schnittstelle zu bilden.
Der trapezförmige Puffer 414 und der zweite Puffer 408 sind dazu konfiguriert, einen PN-Übergang zu bilden, wobei die Quantenmulde 412 zwischen dem trapezförmigen Puffer und dem zweiten Puffer angeordnet ist. Der PN-Übergang liefert Träger, die in die Quantenmulde injiziert werden sollen, um für Licht in dem Silizium-Mikroringresonator 405 eine optische Verstärkung zu liefern.
Eine Ringelektrode 410 ist mit einem schmalen Ende des trapezförmigen Puffers 414 elektrisch gekoppelt. Die Ringelektrode kann aus Metall oder einem sonstigen äußerst leitfähigen Material oder Verbundwerkstoff gebildet sein. Das breite Ende des trapezförmigen Puffers befindet sich in direktem Kontakt mit der Quantenmulde 412. Die Quantenmulde, der trapezförmige Puffer und die Ringelektrode bilden allesamt einen Ring oberhalb des Silizium-Mikroringresonators 405. Eine Mittelelektrode 416 ist in der Nähe einer Mitte des Mikroringresonators platziert und berührt den oben auf dem Resonator befindlichen zweiten Puffer 408. Die Position der Mittelelektrode ermöglicht, dass Träger in die Quantenmulde injiziert werden, indem zwischen der Mittelelektrode und der Ringelektrode ein Vorspannungspotential angelegt wird.
Der trapezförmige Puffer 414 kann eine Trapez- oder Dreiecksform aufweisen. Der Puffer kann unter Verwendung beispielsweise eines schwach anisotropen Ätzvorgangs gebildet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Puffer geätzt werden, um eine Mehrzahl von Ebenen zu bilden, wobei jede ansteigende Ebene eine abnehmende Länge aufweist, um einen pyramidenförmigen Puffer zu bilden.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer simulierten optischen Mode unter Verwendung der in 4 veranschaulichten Struktur. Eine Seite des Silizium-Mikroringresonators 405 ist dahin gehend dargestellt, dass ein Teil der optischen Mode 502 in dem Silizium-Mikroringresonator getragen wird. Die tatsächliche Größe der optischen Mode hängt von der Art der Mode, die durch den Mikroringresonator gehalten wird, und der Wellenlänge des Lichts in dem Resonator ab. Ein Teil der optischen Mode kann sich durch den n-Kontakt 408 hindurch in die Quantenmulde 412 und in den trapezförmigen Puffer 414 hinein erstrecken. Man sollte beachten, dass der trapezförmige Puffer unter Verwendung einer Mehrzahl geätzter Stufen erzeugt werden kann, um einen pyramidenförmigen Puffer zu bilden.
Wie in 5 veranschaulicht ist, liefert das in 4 gezeigte System bezüglich der Menge der optischen Mode 502, die sich in der Quantenmulde 412 befindet, eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem in 1 gezeigten System. Die Dicke des Mikroringresonators 405, des zweiten Puffers 408 und der Quantenmulde 412 zusammen mit der Höhe und der Form des trapezförmigen Puffers 414 können ermöglichen, dass der Bereich der optischen Mode, der die größte Menge an elektromagnetischer Energie aufweist, in der Quantenmulde positioniert wird. Ein Aufbauen des Systems derart, dass die höchste Dichte der optischen Mode in der Quantenmulde angeordnet ist, liefert eine beträchtliche Verbesserung der Effizienz des Lasers. Der Beschränkungsfaktor der Fundamentalmode in der Quantenmulde liegt bei etwa 35%, beträchtlich höher als bei anderen Arten von Gruppe-III–V-Silizium-Hybridlasersystemen. Die Form der in 5 veranschaulichten Struktur ermöglicht, dass die optische Mode direkt mit der Quantenmulde 412 und dem trapezförmigen Puffer 414 gekoppelt wird. Die direkte optische Kopplung liefert eine optische Mode mit wesentlich höherer Leistung, als sie mittels einer evaneszenten Kopplung zwischen dem Silizium-Mikroringresonator 405 und der Quantenmulde erzielt werden kann.
Die Form des trapezförmigen Puffers 414 kann dahin gehend ausgewählt werden, den Beschränkungsfaktor der optischen Mode zu maximieren. Ein trapezförmiger Puffer mit einem schmaleren oberen Ende bewegt die Fundamentalmode nach unten. Umgekehrt ermöglicht ein trapezförmiger Puffer mit einem breiteren oberen Ende, dass die Fundamentalmode innerhalb des trapezförmigen Puffers höher positioniert wird. Außerdem liefert die in 5 veranschaulichte Struktur lediglich eine einzelne verlustarme Mode, die transversal-elektrische Fundamentalmode (TE-Fundamentalmode). Aufgrund der Form des trapezförmigen Puffers geht an dem Puffer-Elektrode-Übergang eine beträchtlich verringerte Menge an Licht verloren. Tests haben gezeigt, dass ein Verlust bei einer Mittelelektrode 410 aus Aluminium etwa 0,4 dB/cm beträgt.
Die TE-Polarisierung weist eine hohe optische Verstärkung aus der Quantenmulde auf. Die transversal-magnetische (TM-)Mode und Moden höherer Ordnung weisen Verluste auf, die zwei Größenordnungen höher sind als bei der TE-Fundamentalmode. Deshalb lasen nur die TE-Fundamentalmode. Im Wesentlichen der gesamte Quantenmuldenbereich weist eine effektive Interaktion mit der optischen Mode auf. Deshalb wird eine beträchtliche Menge des in die Quantenmulde injizierten Pumpstroms dazu verwendet, Photonen zu stimulieren, was zu einer im Wesentlichen hohen Pumpeffizienz führt. Der Beschränkungsfaktor der optischen Mode 502 in der Quantenmulde 412 kann mehr als 35 Prozent betragen. Üblichere Beschränkungspegel können von 20 Prozent bis nahe 40 Prozent variieren. Stimuliertes Licht von dem in 4 und 5 veranschaulichten Silizium-Mikroringresonator kann durch evaneszentes Koppeln mit einem Wellenleiter gekoppelt werden, wie zuvor in 3 erörtert und gezeigt wurde.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren 600 zum Bilden eines elektrisch gepumpten Lasers zum Stimulieren von Licht einer ausgewählten Wellenlänge offenbart, wie in 6 gezeigt ist. Das Verfahren umfasst den Vorgang des Bildens 610 eines Silizium-Mikroringresonators auf einer unteren Ummantelung, die einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als ein Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators. Das Verfahren umfasst ferner den Vorgang des Aneinanderfügens 620 einer ersten Pufferschicht und des Silizium-Mikroringresonators. Die erste Pufferschicht wird aus einem mit einem ersten Trägertyp dotierten Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet. Ein zusätzlicher Vorgang beinhaltet ein Befestigen 630 einer Quantenmulde an der ersten Pufferschicht, wobei die Quantenmulde mit dem Silizium-Mikroringresonator optisch gekoppelt ist.
Das Verfahren 600 beinhaltet ferner ein Verbinden 640 einer zweiten Pufferschicht mit der Quantenmulde. Die zweite Pufferschicht kann aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet sein, das mit einem zweiten Trägertyp dotiert ist, der eine zu dem ersten Trägertyp entgegengesetzte Ladung aufweist. Die zweite Pufferschicht kann eine trapezförmige Form aufweisen, die einen mit der Quantenmulde gekoppelten breiten Bereich und einen dem breiten Bereich gegenüberliegenden schmalen Bereich aufweist. Das Verfahren umfasst ferner ein Aneinanderfügen 650 einer Ringelektrode und des schmalen Bereichs der trapezförmigen zweiten Pufferschicht. Ein zusätzlicher Vorgang sieht ein Aufnehmen 660 einer Mittelelektrode um eine Mitte des Silizium-Mikroringresonators vor, um zu ermöglichen, dass Träger in die Quantenmulde zwischen der Mittelelektrode und der Ringelektrode injiziert werden, um eine Verstärkung des Lichts der ausgewählten Wellenlänge zu liefern.
Obwohl die vorstehenden Beispiele die Prinzipien der vorliegenden Erfindung bei einer oder mehreren bestimmten Anwendungen veranschaulichen, wird Fachleuten einleuchten, dass ohne die Ausübung einer erfinderischen Fähigkeit und ohne von den Prinzipien, und Konzepten der Erfindung abzuweichen, zahlreiche Modifikationen bezüglich Form, Nutzung und Einzelheiten der Implementierung vorgenommen werden können. Demgemäß ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf andere Weise eingeschränkt werde als durch die nachstehend dargelegten Patentansprüche.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es wird ein System und Verfahren für ein elektrisch gepumptes Lasersystem offenbart. Das System umfasst einen Silizium-Mikroringresonator 405. Eine aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildete Quantenmulde 412 ist mit dem Mikroringresonator 405 optisch gekoppelt, um eine optische Verstärkung zu liefern. Ein trapezförmiger Puffer 414, der aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist und mit einem ersten Trägertyp dotiert ist, ist mit der Quantenmulde 412 optisch gekoppelt. Eine Ringelektrode 410 ist mit dem trapezförmigen Puffer 414 gekoppelt. Der trapezförmige Puffer 414 ermöglicht, dass die Ringelektrode 410 von einer optischen Mode des Mikroringresonators 405 im Wesentlichen isoliert ist.

Claims

Ein elektrisch gepumptes Hybrid-III–V-Gruppe-und-Silizium-Lasersystem, das Folgendes umfasst: einen Silizium-Mikroringresonator 405; eine Quanten 412-Mulde, die aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet und mit dem Silizium-Mikroringresonator 405 optisch gekoppelt ist, um eine optische Verstärkung zu liefern; einen trapezförmigen Puffer 414, der aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, das mit einem ersten Trägertyp dotiert ist, wobei der trapezförmige Puffer 414 mit der Quantenmulde 412 optisch gekoppelt ist; eine mit dem trapezförmigen Puffer 414 gekoppelte Ringelektrode 410, wobei der trapezförmige Puffer 414 ermöglicht, dass die Ringelektrode 410 von einer optischen Mode des Mikroringresonators 405 im Wesentlichen isoliert ist.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner einen zweiten Puffer 408 umfasst, der aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, das mit einem zweiten Trägertyp dotiert ist, der eine zu dem ersten Trägertyp entgegengesetzte Ladung aufweist, wobei der zweite Puffer 408 zwischen der Quantenmulde 412 und dem Silizium-Mikroringresonator 405 angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 2, bei dem eine Höhe des Silizium-Mikroringresonators 405, des zweiten Puffers 408, der Quantenmulde 412 und des trapezförmigen Puffers 414 dahin gehend ausgewählt ist, zu ermöglichen, dass sich eine einzelne transversal-elektrische (TE-)Fundamentalmode eines Laserlichts in dem Resonator 405 ausbreitet, wobei sich eine maximale Menge an elektromagnetischer Energie in der TE-Mode in der Quantenmulde 412 befindet, um eine erhöhte Verstärkung von Laserlicht in der Quantenmulde 412 zu liefern.
Das System gemäß Anspruch 2, das ferner eine Mittelelektrode 416 umfasst, die mit dem zweiten Puffer 408 gekoppelt ist und sich in dem Silizium-Mikroringresonator 405 befindet, um zu ermöglichen, dass Träger in die Quantenmulde 412 injiziert werden, indem zwischen der Mittelelektrode 416 und der Ringelektrode 405 ein Vorspannungspotential angelegt wird.
Das System gemäß Anspruch 1, bei dem der trapezförmige Puffer 414 aus einer Mehrzahl von Ebenen gebildet ist, wobei jede ansteigende Ebene eine abnehmende Länge aufweist, um einen pyramidenförmigen Puffer zu bilden.
Das System gemäß Anspruch 5, bei dem der pyramidenförmigen Puffer durch Ätzen einer Mehrzahl von Stufen gebildet wird, um die Mehrzahl von Ebenen zu bilden.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner eine unter dem Silizium-Mikroringresonator 405 angeordnete untere Ummantelungsschicht 404 umfasst, wobei die untere Ummantelungsschicht 404 aus einem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators 405, und das bei einer Wellenlänge von Laserlicht in dem Mikroringresonator 405 im Wesentlichen optisch transparent ist.
Das System gemäß Anspruch 1, das ferner einen optischen Wellenleiter 302 umfasst, der nahe genug bei dem Silizium-Mikroringresonator 405 angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass Laserlicht aus dem Mikroringresonator 405 evaneszent mit dem optischen Wellenleiter 302 gekoppelt wird.
Ein Verfahren zum Bilden eines elektrisch gepumpten Hybrid-III–V-Gruppe-und-Silizium-Lasers zum Stimulieren von Licht einer ausgewählten Wellenlänge, umfassend: Bilden eines Silizium-Mikroringresonators 405 auf einer unteren Ummantelung 404, die einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als ein Brechungsindex des Silizium-Mikroringresonators 405; Aneinanderfügen einer ersten Pufferschicht 408 und des Silizium-Mikroringresonators 405, wobei die erste Pufferschicht 408 aus einem mit einem erster Trägertyp dotierten Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist; Befestigen einer Quantenmulde 412 an der ersten Pufferschicht 408, wobei die Quantenmulde mit dem Silizium-Mikroringresonator 405 optisch gekoppelt ist; Verbinden einer zweiten Pufferschicht 414 mit der Quantenmulde 412, wobei die zweite Pufferschicht 414 aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, das mit einem zweiten Trägertyp dotiert ist, der eine zu dem ersten Trägertyp entgegengesetzte Ladung aufweist, und die zweite Pufferschicht 414 eine Trapezform aufweist, die einen mit der Quantenmulde 412 gekoppelten breiten Bereich und einen schmalen Bereich aufweist; Aneinanderfügen einer Ringelektrode 410 und des schmalen Bereichs der trapezförmigen zweiten Pufferschicht 414; und Aufnehmen einer Mittelelektrode 416 in der Nähe einer Mitte des Silizium-Mikroringresonators 405, um zu ermöglichen, dass Träger in die Quantenmulde 412 zwischen der Mittelelektrode 416 und der Ringelektrode 410 injiziert werden, um eine Verstärkung des Lichts der ausgewählten Wellenlänge zu liefern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner ein Bilden der Trapezform der zweiten Pufferschicht 414 durch Ätzen einer Mehrzahl von Ebenen umfasst, wobei jede ansteigende Ebene eine abnehmende Länge aufweist, um einen pyramidenförmigen Puffer zu bilden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner ein Bilden der Trapezform der zweiten Pufferschicht 414 umfasst, die mit einem schmaleren oberen Abschnitt gebildet ist, um eine einzelne TE-Fundamentalmode derart zu leiten, dass sich die maximale Menge elektromagnetischer Energie in der einzelnen TE-Fundamentalmode in der Quantenmulde 412 befindet, um eine erhöhte Verstärkung des Lichts in der Quantenmulde 412 zu liefern.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, das ferner ein Positionieren eines optischen Wellenleiters 302 nahe genug bei dem Silizium-Mikroringresonator 405 umfasst, um zu ermöglichen, dass das Licht in dem Silizium-Mikroringresonator 405 evaneszent mit dem optischen Wellenleiter 302 gekoppelt wird, um zu ermöglichen, dass Laserlicht aus dem Silizium-Mikroringresonator 405 geleitet wird.
Ein elektrisch gepumptes Hybrid-III–V-Gruppe-und-Silizium-Lasersystem, das Folgendes umfasst: einen Silizium-Mikroringresonator 15; eine Quantenmulde 112, die aus einem Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet und mit dem Silizium-Mikroringresonator 105 optisch gekoppelt ist, um eine optische Verstärkung zu liefern; einen ersten Puffer 114, der aus einem mit einem ersten Trägertyp dotierten Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, wobei der erste Puffer 114 mit der Quantenmulde 112 gekoppelt ist; einen zweiten Puffer 108, der aus einem mit einem zweiten Trägertyp dotierten Halbleitermaterial der Gruppe III–V gebildet ist, wobei sich der zweite Puffer 108 zwischen der Quantenmulde 112 und dem Silizium-Mikroringresonator 105 befindet; eine Mittelelektrode 116, die sich an einer Mitte des Silizium-Mikroringresonators 105 befindet und mit dem ersten Puffer 114 gekoppelt ist, wobei der erste Puffer 114 ermöglicht, dass die Mittelelektrode 116 von einer optischen Mode des Mikroringresonators 105 im Wesentlichen isoliert ist.
Das System gemäß Anspruch 13, das ferner eine Außenelektrode 110 umfasst, die mit dem zweiten Puffer 108 gekoppelt ist und in einem ausgewählten Abstand von dem Mikroringresonator 105 angeordnet ist.
Das System gemäß Anspruch 13, das ferner einen optischen Wellenleiter 302 umfasst, der nahe genug bei dem Silizium-Mikroringresonator 105 angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass Laserlicht aus dem Mikroringresonator 105 evaneszent mit dem optischen Wellenleiter 302 gekoppelt wird.