TWI362148B - Electrically pumped semiconductor evanescent laser - Google Patents

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TWI362148B TW096123477A TW96123477A TWI362148B TW I362148 B TWI362148 B TW I362148B TW 096123477 A TW096123477 A TW 096123477A TW 96123477 A TW96123477 A TW 96123477A TW I362148 B TWI362148 B TW I362148B
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Oded Cohen
Alexander W Fang
Richard Jones
Mario J Paniccia
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1362148 〆 丨第96123477號申請案修正頁 100.01.1Γ 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域3 關於聯邦政府贊助研究及發展之陳述 5
10 15 20 本發明係於國家安全部門所授與合約號碼第 W911NF05-1-0175號下由政府所援助。政府於本發明中具 有必然權利。 發明領域 本發明大致上有關光學器件，且更特別地是，本發明 有關光學互連件及通訊。 發明背景 當網際網路資料流量成長率係追上聲音流量並推進光 纖通訊之需求時，快速及有效之以光學為基礎的技術之需 求也日益漸增。於該高密度分波多工(DWDM)系統及超高 速(GB)乙太網路系統中之在該相同纖維上方多數光學通道 的傳輸’提供一簡單方式以使用藉由光纖所供給之空前的 能力（信號頻寬）。在該系統中一般使用之光學零組件包含分 波多工(WDM)發送器及接收器、諸如繞射光柵之光學濾波 器、薄膜濾波器、纖維布雷格光柵、陣列式波導光柵、光 學塞取多工器、及雷射。 雷射係熟知之裝置，其經過激發放射而放射光線、以 一由紅外線分佈至紫外線的頻譜產生同調光束，及可被用 於一巨大陣列之應用中。譬如，於光學通訊或網路應用中， 半導體雷射可用來產生光或光學光束，而資料或另一資訊 5 fcl^jj_3477 綦申請索修~^頁 10Q. όϊΤΙΤ 可在該等光束上編碼及傳送。 用於光學通訊之額外裝置包含光學發送器，其係寬頻 帶DWDM網路系統及超高速(GB)乙太網路系統中之主要零 組件。目前，大部分光學發送器係基於若干與一外部調變 器結合之固定式波長雷射或於一些案例中基於一直接調變 雷射。在調變由一雷射所產生的光線之後，其係以一外部 多工器多路傳輸，且接著被送至一光纖網路，在此其可藉 由一光學開關被放大或引導、或兩者。既然該等雷射典型 產生一固定式波長’分開之雷射及調變器被用於每一傳送 通道。然而’製造雷射及相關零組件之成本係很高的，且 對於待傳送光線之每一波長使用分開之零組件可為昂貴及 無效率的。 C發明内容;3 發明概要 一電激發併合衰減雷射之設備及方法。用於一範例， 一設備包含一設置在矽中之光學波導器。—活性半導體材 料係設置在該光學波導器上方，而在該光學波導器及該活 性半導體材料之間界定一衰減耦合介面，使得一欲由該光 學波導器所導引之光學模式重疊該光學波導器及該活性半 導體材料兩者。一電流注入路徑係界定緩過該活性半導體 材料’且至少局部地重疊該光學模式，使得回應於該活性 半導體材料之電激發作用，且回應於沿著至少局部重疊該 光學模式之電流注入路徑的電流注入，而產生光線。 圖式簡單說明 13&2148 第96123477號申請案修正頁 100.01.18. 本發明係藉由範例所說明，且不限於所附之圖面。 第1A圖係按照本發明之教導的一說明圖，大致上顯示 一包含反射器之電氣幫浦式併合半導體衰減雷射的範例。 第1B圖係按照本發明之教導的一說明圖，大致上顯示 5 —包含環型共振器之電氣幫浦式併合半導體衰減雷射的範 例。 第2圖係按照本發明之教導的一側面橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 10 15 20 第3圖係按照本發明之教導的一橫截面視圖，大致上顯 示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第4圖係按照本發明之教導的另一橫截面視圖，大致上 顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第5圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第6圖係按照本發明之教導的又另一橫戴面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第7圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第8圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第9圖係按照本發明之教導的另一橫截面視圖，大致上 顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第10圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大 致上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 7 1362148 l·第卯 123477 號申 tf 寨 第11圖係按照本發明之教導的—概要圖， ^~~ -包含超高能力發送器_接收器之範例“，並^ =明 半導體調變器及-陣列之電氣幫浦式併合黏結^多^之 射。 長雷 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 ίο 揭示用於提供-電氣幫浦式併合半導體衰減 的方法及設備。於以下之敘述中，提出極多特定之纟〜列 以便提供本發明之一完全理解。然而，對於—具之:即， 諳該技藝者將變得明顯的是不須採用該特定之細浐㈢通熟 踐本發明。於其他情況中，未詳細地敘述孰:，以實 ”、 <材料或方 法，以便避免使本發明含糊不清。 遍及此說明書所參考之“一具體實施例” -、體施 例思^曰關於§玄具體實施例所敛述的—特別之特多 、、'〇 15 特徵係包含於本發明之至少一具體實施例中。如 4 G，遍及 此說明田在各種位置中，“於一具體實施例中，，成“ A於具體實 施例中之片語的表象係不需全部意指相同 *土一 具體實施 例。再者，該專特別之特色、結構或特徵能以住何合適之 方式組合於一或多個具體實施例中。此外，應了解同此所 提供之圖面係用於對普通熟諳該技藝者說明之目的，且該 等圖面不須以一定之比例畫出。 為說明故’第1A及1B圖係按照本發明之教導的插圖， 其大致上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射101之範 例’I包含衰減地耦合至被動式半導體材料之活性増益介 8 20 1362148 第96123477號申請案修正頁 100.01.18： 5 10 質材料。如在該描述範例中所顯示，雷射101由單層半導體 材料103提供一光學光束119。如所示，該單層半導體材料 103係如矽之被動層，譬如一絕緣層上覆矽（SOI)晶圓之石夕 層。於所示範例中，光束119係具有一雷射頻譜寬度之雷射 輸出’該雷射頻譜寬度主要由該雷射101之增益及孔腔反射 頻譜寬度所決定。如所示，雷射101包含一設置在該單層半 導體材料103中之光學波導器105。於所示範例中，按照本 發明之教導，光學波導器105可為一矽脊形波導器、一條形 波導器、或另一設置在該單層半導體材料103中之其他合適 型式的光學波導器。 15 20 在第1A圖所說明之範例中，光學波導器105包含一沿著 該光學波導器105界定於反射器107及109之間的光學孔腔 127。於各種範例中，該等反射器107及109可包含該半導體 材料103中之一或多個光柵、該半導體材料1〇3的小平面上 之反射塗層、或其他合適之技術，以於該光學波導器105中 按照本發明之教導界定該光學孔腔。於另一範例中，諸如 第1B圖中所說明之範例，雷射101包含一設置在該半導體材 料103中之環形光學波導器120，且係光學地耦合至光學波 導器105，以沿著光學波導器1〇5按照本發明之教導界定一 光學孔腔。在第1A圖所示之範例中，其中該光學孔腔包含 反射器107及109，而不包含該環型共振器120。在第1B圖所 示之範例中，其中該光學孔腔包含該環型共振器丨2〇，而不 包含該等已包含之反射器107及109。 如在該等描述之範例中所顯示，一活性半導體材料、 9 1362148 號申請案修正頁~ϊό〇Γοι.ΐ8.~ 一~ 諸如增益介質材料丨23係越過該光學波導器1〇5設置在該單 層半導體材料103上方、及衰減地耦合至該單層半導體材料 。用於此揭示内容之目的，一活性增益介質材料或活性 半導體材料可被解釋為一回應電流注入或電激發等而發光 之材料。因此，於所示範例中，按照本發明之教導，增益 介質材料123可為一電氣幫浦式發光層。於另一範例中，在 此可有超過一個之光學波導器1〇5被設置於該單層半導體 材料103中，以形成複敫雷射。於一範例中，按照本發明之 教導’該增益介質材料123係此活性半導體材料，及係在合 10 適之厚度及摻雜之濃度下包含III-V半導體材料之ΐΐΐ-ν半導
體棒材，諸如 InP、AlGalnAs、InGaAs、及 / 或 InP/InGaAsP、 及/或其他合適之材料與組合。特別地是，該增益介質材 料12 3係一偏置多重量子井(M Q W)區域增益晶片，其係覆晶 接合或晶圓接合、或外延地成長越過一 SOI晶圓的矽層中之 15 一或多個光學波導器的“頂部”。其結果是，一或多個III-V 雷射係與沿著光學波導器105所界定之增益介質半導體材 料介面一起形成。既然在此沒有與接合該增益介質材料123 之對齊問題’而該增益介質材料123如所示越過該一或多個 光學波導器105接合，按照本發明之教導，諸如在附接及對 20 齊離散之個別雷射的一小部份成本下提供及製造一或多個 雷射101，譬如垂直共振腔面射型雷射(VCSELs)等。 在第1A及1B圖所說明的範例中，一電氣幫浦電路161 係耦合至該增益介質材料123，以於雷射101之操作期間按 照本發明之教導電激發該增益媒介。於一範例中，電氣幫 10 1362148 5
20
號申100. 〇l. 18. I 浦電路161可直接地被整合在該單層半導體材料丨们内。例 如，於一範例中，該單層半導體材料1〇3係矽，且電氣幫浦 電路161可被直接地整合在該矽中。於另一範例中，電氣幫 浦電路161可為一至該單層半導體材料1〇3之外部電路。 如將討論者，於一範例中，該電氣幫浦電路161係耦合 至該增益介質材料123，如於第ία及1B圖所示，使得該注 入電流係注入增益介質材料123之主動式材料，使得—電流 注入路徑係經過該增益介質材料123所界定，且重疊或至少 局部重疊該光學孔腔127中之光學光束119的光學模式或光 學路徑。其結果是，按照本發明之教導，回應於電流注入 而沿著重疊或至少局部重疊該光學光束丨19的光學模式之 電流注入路徑，光線係在該光學孔腔127中回應於增益介質 材料123之電激發所產生。以所揭示之雷射1〇1，光學模式 119由增益介質材料123之主動式區域獲得電氣幫浦式增 益’而按照本發明之教導藉由該被動式半導體材料103之光 學波導器105所引導。 於另一範例中，該電氣幫浦電路161亦可麵合至半導體 材料103之被動式材料，使得此電流注入路徑之至少一部份 亦可通過該單層半導體103中之光學波導器1〇5，如按照本 發明之教導在第1A及1B圖中所示。於此一範例中，該電流 注入路徑按照本發明之教導通過光學波導器1〇5中之半導 體材料103的被動式材料，以及該·%•層半導體材料及該 增益介質材料123間之衰減耦合。 於一範例中，具有一特別波長之光線係在第丨八圖的反 11 1362148 第96123477號申請藥幕·正頁100.01.18· 一' 射器107及1〇9之間來回地反射，使得於光學孔腔127中在該 特別之波長下發生雷射作用。於另一範例中，具有—特別 波長之光線在第1B圖之環型共振器120内共振，使得於該環 型共振器120中在該特別之波長下發生雷射作用。於各種範 5 例中’按照本發明之教導，以光學孔腔127發生雷射作用之 特別波長係藉著由反射器107及/或109所反射的光線之波 長、或在環型共振器120内共振的光線之波長所決定。 第2圖係按照本發明之教導的一側面橫截面視圖，大致 上顯示一範例雷射201。於一範例中，雷射201可對應於第 10 1A及1B圖中所說明之雷射1〇1。如第2圖所示，雷射201係 整合在包含單一半導體層203之SOI晶圓中，並具有一設置 於該單一半導體層203及一基板層231間之埋入式氧化物層 229。於一範例中，該單一半導體層203及該基板層231係由 被動式矽所製成。如所示，一光學波導器205係設置在該單 15 一半導體層203中，一光束219被引導經過該單一半導體 層。在第2圖所說明之範例中，光學波導器205係一脊形波 導器、條形波導器等，具有一界定於反射器207及209之間 的光學孔腔227。如第2圖所示，於一範例中，按照本發明 之教導，反射器207及209係布雷格反射器。 20 如第2圖所示，類似於第1A及1B圖之增益介質材料 123 ’越過光學波導器205的“頂部”及鄰接光學波導器205， 增益介質材料223係接合至或外延地成長在該單層半導體 材料203之“頂部，，上。其結果是，在此沿著光學波導器205 平行於一光束沿著光學波導器205之傳播方向有一增益介 12 1362148 5
20 1^6123477 號申請案修正頁—~Γ〇〇〇|7!Γ ' —一| 質半導體材料介面233。於一範例中，該增益介質半導體材 料介面233係一衰減耦合介面，其可於該活性增益介質材料 233及光學波導器205的半導體材料203之間包含一接合介 面。例如’此一接合介面可包含一薄Si〇2層或另一合適之 接合介面材料。於一範例中，該增益介質材料223係一主動 式ιπ-ν增益媒介，且在該增益介質半導體材料介面233於該 光學波導器205及該增益介質材料223之間有一衰減光學耦 合。視光學波導器205的波導器尺寸而定，光束219之光學 模式的一部份係在該III-V增益介質材料223内側，且光束 219之光學模式的一部份係在該光學波導器205内側。於一 範例中，該增益介質材料223係電激發至於光學孔腔227中 產生光線。 於一具有包含諸如MQWs的主動式材料之增益介質材 料223、及具有以被動式矽波導器為基礎之光栅當作反射器 或反射鏡的範例中，按照本發明之教導在該光學孔腔227内 獲得雷射作用。於第2圖中，於光學孔腔227中，以該III-V 增益媒介223，以在反射器207及209之間來回地反射的雷射 光線顯示該雷射作用。於所示範例中，反射器209係局部地 反射，使得該光束219係按照本發明之教導在第2圖之右邊 輸出。於一範例中，雷射201係一寬頻帶雷射，且因此該等 反射器207及209不需要為用於該光學孔腔227之窄帶反射 |§或布雷格光拇’其按照本發明大幅地減少裝配複雜性。 於一範例中，雷射作用係以120毫安培之閾值、在攝氏15度 的3.8毫瓦之最大輸出功率示範，而具有百分之9_6的微分量 13 1362148 丨第961234f7號申請案修正頁~ΓοοΓόΓΤδ： 子效率。在一範例中，該雷射2〇1在至少攝氏80度下操作， 並具有63Κ之特性溫度。 第3圖係按照本發明之教導的一橫截面視圖，大致上顯 示電氣幫浦式併合半導體衰減雷射301的一範例，其可對應 於上面關於第ΙΑ、1Β或2圖所說明及敘述的雷射之一。如 所示’一 soi晶圓係包含具有一設置於單層半導體材料3〇3 及半導體基板331間之埋入式氧化物層329。於另一範例 中，按照本發明之教導，層329可包含一不同材料，諸如埋 入式氮化物層或氮氧化矽層或另一合適之材料型式。於所 示範例中，一矽脊形波導器305係設置在該單層半導體材料 303 中。 持續第3圖所示範例，增益介質材料323係接合在該光 學波導器305之頂部上，而界定一衰減耦合333。以該増益 介質材料323及該光學波導器305間之衰減耦合333,部^ = 光學模式319係顯示為在光學波導器3〇5之脊形區域内側， 且部份該光學模式319係在增益介質材料323内側，視該光 學波導器305而定。 如第3圖所示，該增益介質材料323的一範例係半 導體材料，其包含一P·層325、一活性層326、及一黏妗至 單層半導體材料303的N-矽之N-III-V層328。於一範例中， 增益介質材料323包含InP或另一合適之m_v材料。於一範 例中’ P-層325包含一 P-四元層328、ρ·披覆層33〇、及一 光舰層（SCH)332 ’如在第3圖之範例所示。於一範例中， 該活性層326包含-MQW材料。於所示範例中，按照本發 14 136.2148 5
20 「弟％似477號申請案修正頁 100. 0〇^. " 明之教導，該增益介質材料323係接合至一光學波導器之脊 形區域305、及鄰接該脊形區域3〇5。如所示，一接點341係 亦輕合至該增益介質材料323。 於第3圖所示範例中，說明一導電接合設計，其中經過 該光學波導器305之矽施行電流注入，以按照本發明之教導 操作及電激發雷射301。如此，該石夕脊形波導器305包含N 型摻雜。於所示範例中，接點343及345係耦合至該光學波 導器305之厚板區域的外側部份。第3圖之說明顯示經過接 點343及345、經過該N型摻雜矽之半導體層3〇3注入至該活 性層326之電子、及經過接點341、經過P-層325注入至活性 層326之電洞的一範例。於第3圖所示範例中，電子被說明 為e-及電洞被說明為h+。因此，一電流注入路徑係界定於 接點341、343及345之間，經過增益介質材料323之活性層 326，且重疊或至少局部重疊該光學模式319，如第3圖範例 中所示。如此，回應於沿著重疊或至少局部重疊光束319之 光學模式的電流注入路徑之電流注入，按照本發明之教 導’光線係回應於增益介質材料323之電激發所產生。 應注意的是由於該增益介質材料323之III-V區域的對 稱性，於該橫側方向中，在接合之前，該增益介質材料晶 圓及該光學波導器305之間不需要任何對齊步驟。如此，按 照本發明之教導在一石夕晶圓上提供大規模光學整合之電氣 幫浦式來源，該等來源係自行對齊至被動式半導體波導器 部分，因為雷射與被動式波導器兩者可藉由使用相同之互 補式金屬氧化層半導體(CMOS)所界定，該CMOS與SOI蝕 15 1362148 第961234Π號申請案修正頁 100. 01. 18. 刻相容。 亦應注意的是在第3圖所說明範例中，接點343及345 係柄合至半導體層303之被動式N-Si，使得該電流注入路徑 的一部份係經過該衰減耦合介面333及經過該被動式半導 5 體材料303所界定。於另一範例中，接點343及345可為耦合 至該增益介質材料323,使得該整個電流注入路徑不會通過 該衰減耦合介面333，且因此剩餘物係在該增益介質材料 323 内》 為說明故，第4圖係按照本發明之教導的另一橫截面視 10 圖，其大致上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射4〇1之 另一範例，其中以該增益介質材料保留該整個電流注入路 徑。應注意的是按照本發明之教導，第4圖之雷射401可對 應於上面關於第1A、1]3或2圖所說明及敘述的雷射之—。 如所不，一SOI晶圓係包含具有一設置於單層半導體材料 15 403及該SOI晶圓的半導體基板431間之埋入式氧化物層 429。於所示範例中，一矽脊形波導器4〇5係設置在該單層 半導體材料403中。增益介質材料423係接合在該光學波導 益405之頂部上，並界定一衰減耦合433。以該增益介質材 料423及該光學波導器405間之衰減耦合433，部份該光學模 20 式419係顯示為在光學波導器405之脊形區域内側，且部份 該光學模式419係在該增益介質材料423内側，視該光學波 導器405而定。 於第4圖所示範例中，該增益介質材料423的一範例係 πι-ν半導體材料，其包含一Ρ·層425、—活性層426、及一 16 第 96123477 號申請案~疼玉7^ 100 01 18 二 黏結至單層半導體材料403的N-矽之N-ni_V層428。於—範 例中，增益介質材料423包含InP或另一合適之m_v材料。 於一範例中，P-層425包含一 P-四元層428、p_彼覆層43〇、 及一P-SCH層332。於一範例中，該活性層426包含一 材料。如於所說明之範例中所示，按照本發明之教導，該 增盈介質材料423係接合至一光學波導器4〇5之脊形區域、 及鄰接該脊形區域。如所示，一接點441係亦耦合至該増益 介質材料423。 於第4圖所示範例中，當與第3圖之雷射3〇1作比較時， 接點443及445係直接地麵合至該增益介質材料423之 N-III-V層428，代替該光學波導器305之厚板區域的外側部 份。如此’第4圖所說明的範例顯示經過接點443及445、經 過該N-III-V層428注入之電子、及經過接點441 '經過p一層 425注入至活性層426之電洞。如此，該電流注入路徑係界 定於接點441、443及445之間，經過增益介質材料423之活 性層426 ’且重疊或至少局部重疊該光學模式419，如第4圖 之範例中所示。如此，回應於沿著重疊或至少局部重疊光 束419之光學模式的電流注入路徑之電流注入，按照本發明 之教導，光線係回應於增益介質材料423之電激發所產生。 應注意的是於第4圖所說明之範例中，使接觸點443及445直 接耦合該增益介質材料423之N-III-V層428，該電流注入路 徑不會通過該衰減耦合介面433，且因此保持在該增益介質 材料423内。 應注意的是於第3及4圖所說明之範例中，光學波導器 17 1362148 ^[23477號申請案修正頁 100.01.18._ 305及405兩者係說明為脊形波導器。於其他範例中，應了 解亦可按照本發明之教導採用其他合適型式之光學波導 器。例如’於另一範例中，可採用一條形波導器。為說明 故，第5圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，其大 致上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射5〇1之另一範 例’其中包含一條形波導器。應注意的是按照本發明之教 導，第5圖之雷射501可對應於上面關於第ΙΑ、1B或2圖所 說明及敘述的雷射之一。 如在該描述之範例中所顯示，一SOI晶圓係包含具有一 設置於單層半導體材料503及該SOI晶圓的半導體基板531 間之埋入式氧化物層529。於所示範例中，一碎條形波導器 505係設置在該單層半導體材料503中。增益介質材料523係 接合在該條形波導器505之頂部上，並界定一衰減麵合 533。以該增益介質材料523及該光學波導器505間之衰減耦 合533，部份§玄光學模式519係顯示為在光學波導器505内 側，且部伤該光學模式519係在該增益介質材料523内側， 視該光學波導器505而定。 於第5圖所示範例令，該增益介質材料523的一範例係 III-V半導體材料，其包含一 Ρ·層525、一活性層526、及一 黏結至單層半導體材料503的N-矽之队冚乂層528。於一範 例中，增益介質材料523包含譬如類似於第4圖的增益介質 材料423或第3圖的增益介質材料323之材料。如於所說明之 範例中所示，按照本發明之教導，該增益介質材料⑵係接 合至該光學波導器505、及鄰接該光學坡導器。如所示一 18 第 96123477 修正頁 100.01.18. 一| 接點541係亦耗合至該增益介質材料523。 類似於第4圖所示之範例接點443及445,第5圖所示之 接點543及545係直接地耦合至該增益介質材料523之 N-III-V層528。據此，電子係經過接點543及545、經過該 N-III-V層528注入，且電洞係經過接點541、經過Ρ-層525 注入至活性層526。如此，該電流注入路徑係界定於接點 541、543及545之間，經過增益介質材料523之活性層526， 且重疊或至少局部重疊該光學模式519，如第5圖之範例中 所示。如此，回應於沿著重疊或至少局部重疊光束519之光 學模式的電流注入路徑之電流注入，按照本發明之教導， 光線係回應於增益介質材料523之電激發所產生。應注意的 是於第5圖所說明之範例中，使接觸點543及545直接耦合該 增盈介質材料523之N-III-V層528，該電流注入路徑不會通 過該衰減耦合介面533，且因此保持在該增益介質材料523 内。 第6圖係按照本發明之教導的另一橫截面視圖，其大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射6〇1的一範例。如 能了解者，雷射601與第4圖之範例雷射4〇1享有類似性。例 如，第6圖中所說明之範例顯示一S0I晶圓，其包含具有一 設置於單層半導體材料603及該SOI晶圓的半導體基板631 間之埋入式氧化物層629。於所示範例中，一矽脊形波導器 605係設置在該單層半導體材料6〇3中。增益介質材料623係 接合在該光學波導器605之頂部上，並界定一衰減耦合 633。以該增益介質材料623及該光學波導器6〇5間之衰減耦 19 1362148 g_9612^77 Ef fMCaLl ί007〇1.18. ~ 合633，部份該光學模式619係顯示為在光學波導器605之脊 形區域内側’且部份該光學模式619係在該增益介質材料 623内側’視該光學波導器605而定。 於所示範例中’增益介質材料623係III-V半導體材料， • 5 其包含一P-層625、一活性層620、及一黏結至該單層半導 體材料603的N-矽之N-III-V層628。於一範例中，增益介質 材料623包含譬如類似於第4圖的增益介質材料423或第3圖 的增益介質材料323之材料。如於所說明之範例中所示，按 照本發明之教導’該增益介質材料623係接合至該光學波導 1〇 器605、及鄰接該光學波導器。如所示，一接點641係亦耦 合至該增益介質材料623。類似於第4圖所示之接點443及 445，接點543及645係直接地耦合至該增益介質材料423之 N-III-V層628。如此’第6圖中所說明之範例顯示電子係經 過接點643及645、經過該N-III-V層628注入，且電洞係經過 15 接點64卜經過P-層625注入至活性層626。如此，該電流注 入路徑係界定於接點641、643及645之間，經過增益介質材 料623之活性層626，且重疊或至少局部重疊該光學模式 619，如第6圖之範例中所示。如此，回應於沿著重疊或至 少局部重疊光束619之光學模式的電流注入路徑之電流注 20 入，按照本發明之教導，光線係回應於增益介質材料623之 電激發所產生。 雷射601及雷射401間之一項差異係雷射6〇1的一範例 亦包含限制區域634及636，如第6圖所示。於—範例中，限 制區域634及636係如所示界定在增益介質材料623的相反 20 1362148 5
20 1^^123477號申i青案修正頁~Γ〇0. 01.18. 橫側面上之限制區域’以有助於將來自接點之注入電流641 直立地局限或集中至該活性層626之與光學模式619重疊或 至；局部重疊的部份。於一範例中，以限制區域634及636， 來自接點641之注入電流傾向於橫侧地散佈其增加雷射 601之損失及減少功率。然而，以限制區域634及636，更多 之注入電流係直立受局限或被迫通過該活性層426，及按照 本發明之教導重疊該光學模式619。在第6圖所說明之範例 中，該Ρ-層625係以質子轟擊或植入，以將該ρ·層625之經 轟擊部份轉換成絕緣或至少半絕緣區域限制區域634及 636，如按照本發明之教導所示。於其他範例中，按照本發 明之教導，限制區域634及636可源自蝕刻及再生或氧化或 其他合適之技術。 第7圖係一說明，其顯示雷射701之另一範例，且包含 限制區域，以按照本發明之教導直立地局限該注入電流。 於一範例中，雷射701與第6圖之雷射601享有很多類似性， 且因此類似元件係在第7圖中同樣地編號。如在第7圖之範 例中所示，雷射701中之限制區域734及736係如所示按照本 發明之教導界定在增益介質材料623的相反橫側面上，以有 助於將來自接點641之注入電流直立地局限或集中至該活 性層626之與該光學模式619重疊或至少局部重疊的部份。 於一範例中，藉由如所示橫側地蝕刻該增益介質材料 623提供限制區域734及736，以將該注入電流直立地局限或 集中在下至該活性層626。於一範例中，半絕緣或絕緣材 料、諸如或範例Si〇2或聚合物或另一合適之材料可被充填 21 1362148
修正頁 100.01.¾ I 進入該朗輯’以按照本發明之教導形成限制區域及 736。 於另一範例中，可藉由在接點641之相向兩側上植入一 材料、諸如㈣等提供限制區域734，如第7圖所示，且接 者使該結果之結構退火這造成該等量子井巾之相互擴 放，造成它們增加其能帶隙及變成透明的。然後按照本發 明之教導，氫可被植人，以將該p材料轉換成—半絕緣材 料，並如第7圖所示導致限制區域734及736。 第8圖係一說明，其顯示雷射8〇1之又另一範例，且亦 包含限制區域634及636，以按照本發明之教導直立地局限 該注入電流。於一範例中，雷射801與第6圖之雷射6〇1享有 很多類似性，且因此類似元件係在第8圖中同樣地編號。如 在第8圖之範例中所示，當與譬如第6圖之雷射6〇1作比較 時，雷射801包含接點841及843之不對稱配置。特別地是， 增益介質材料823之頂部的表面積係大於第6圖之增益介質 材料623的頂部之表面積，並能夠使接點841實質上較大及 對於具有較低阻抗之p_層625具有一改善之歐姆接觸。如 此’―較低之整體阻抗係提供於接點841及843之間，以當 按照本發明之教導將電流注入該活性層626時，提供改善之 性能。 第9圖係一說明，其顯示雷射901之又另一範例，且亦 包3限制區域734及736，以按照本發明之教導直立地局限 該注入電流。於一範例中，雷射9〇1與第7圖之雷射7〇1享有 很多類似性，且因此類似元件係在第9圖中同樣地編號。如 22 1362148 ； [ΙΓ6123477號申請案修正頁100. 01.18. 在第9圖之範例中所示，當與譬如第7圖之雷射701作比較 時，雷射901包含接點941及943之不對稱配置。特別地是， 增益介質材料923之頂部的表面積係大於第7圖之增益介質 材料723的頂部之表面積，並能夠使接點941實質上較大及 5 對於具有較低阻抗之P-層625具有一改善之歐姆接觸。如 此’一較低之整體阻抗係提供於接點941及943之間，以當 按照本發明之教導將電流注入該活性層626時，提供改善之 性能。
10 15 20 第10圖係一說明，其顯示雷射1001之另一範例，且亦 包含限制區域734及736，以按照本發明之教導直立地局限 該注入電流。於一範例中，雷射1001與第9圖之雷射901享 有很多類似性，且因此類似元件係在第10圖中同樣地編 號。如在第10圖之範例中所示，當與譬如第9圖之雷射901 作比較時，雷射1〇〇1亦包含接點941及943之不對稱配置。 然而’代替直接地耦合至該N-III-V層628之接點943，如第9 圖之雷射901中所示，雷射1〇〇1之接點1043係直接地耦合至 半導體層1003之N-Si。其結果是，接點941及1043間之注入 電流路徑流經衰減耦合部633及半導體層1003之N-Si。注意 以限制區域734及736之組合，並與界定光學波導器605之脊 形區域的橫側面之彼覆區域結合，按照本發明之教導，將 运使或局限該注入電流流經該活性層626中之光學模式 619 〇 第11圖係按照本發明之該教導的範例光學系統1151之 說明’其包含具有一陣列之電氣幫浦式併合半導體衰減雷 23 1362148 (j 96123477 號申請棄修100. 01 18 射101的整合之半導體調變器多波長雷射，且包含衰減地耦 合至被動式半導體材料1〇3之活性增益介質材料丨23。於一 範例中，應了解該陣列雷射101中之每一範例雷射可為類似 於先則按照本發明的教導所敘述之電氣幫浦式併合雷射的 一或多個。於所示範例中，如在第丨1圖所說明，該單一半 導體層103係一包含複數光學波導器1〇5A、1〇5B 1〇5N^ 光學晶片，增益介質材料123之單一棒材係在該等光學波導 器上接合，以建立一寬頻帶雷射之陣列，並在該複數光學 波導器105A、1〇5Β..·105Ν中分別產生複數光束丨19八、 119B...119N。按照本發明之教導，調變該複數光束U9A、 119B...119N，且然後該複數光束119A、n9B U9N之選定 波長係接著與多工器117組合，以輸出單一光束121，其可 傳送通過單-光纖1153至一外部光學接收器1157。於一範 例中’按照本發明之教導，該整合之半導體調變器多波長 雷射係能夠在該單-絲121巾所包含之乡數波長下、在該 單一光纖1153上以超過lTb/s之速率傳送資料。例如，於包 含在該整合之半導體調變器多波長雷射中之光學調變器 113A、113B...113N在40Gb/s下操作的範例中，該整合之半 導體調變器多波長雷射的總能力將是1^\4〇(}1^，其中\係 該等以波導器為基礎之雷射來源的總數。於一範例中該 複數光學波導器105A、105B...105N係在該單層半導體材料 中隔開大約5〇_1〇〇微米。因此，於一範例中，按照本發 明之教導，光學資料之一整個匯流排係或許由該整合之半 導體調變器多波長雷射以少於4毫米之半導體材料1〇3元件 24 1362148 5
20 1^_96123477 ftt i〇〇. 〇i.i8. " | 所傳送。 第11圖亦顯示在光學系統1151之範例中，該單一半導 體層103亦可耦合，以按照本發明之教導由一外部光學發送 器1159經過單-光纖1155接收—光束im。因此，於一說 明範例中，按照本發明之教導，該單一半導體層1〇3係在一 小尺寸外型内之超高容量發送器_接收器。於所示範例中， 應注意的是該外部光學接收器1157及外部光學發送器1159 被說明為存在於相同之晶片1161上。於另一範例中，應了 解該外部光學接收器1157及外部光學發送器1159可存在分 開之晶片上。於所示範例中，該接收之光束1121係藉由解 多工器1117所接收，其將所接收之光束1121分成複數光束 1119A、1119B…1119N。於一範例中，該複數光束1U9A、 1119B...1119N係依照它們之個別波長藉由該解多工器1117 所分開’且係接著被引導經過設置在該單層半導體材料1〇3 中之複數光學波導器1105A、1105B...1105N。 如在說明範例中所示’一或多個光學檢測器係光學地 耦合至該複數光學波導器1105A、1105B...1105N之每一 個’以偵測該個別之複數光束1119A、1119B...1119N。特別 地是，於一範例中，一陣列之光檢測器1163A、 1163B...1163N係光學地耦合至該複數光學波導器1105A、 1105B...ii〇5N。於一範例中，該陣列光檢測器1163A、 1163B...1163N包含SiGe光檢測器等，以偵測該複數光束 1119A、1119B...1119N。 如在該描述範例中所示，半導體材料1123之另一單一 25 1362148 [第96123477號中請案修正頁IQ。〇ι μ ^ 棒材可越過該複數光學波導器1105A、11〇5B u〇5N被接 合至該單層半導體材料1()3,以形成—陣狀光學地耗合至 該複數光學波導器11〇5Α、11()5Β.·.11()5Ν的光檢測器。於 -範例中導體材料1123之單-棒材包含川^半導體材 料，以建立光學地耦合至該複數光學波導器η〇5Α、 1105Β...1105Ν之III-V光檢測器。範财，按照本發明 之教導，半導體材料1丨23之單一棒材可使用類似技術及技 藝被接合至該單層半導體材料103，如用於將半導體材料 123之單一棒材越過該複數波導器1〇5Α、1〇5Β.·.1〇5Ν所接 合者。用光學地耦合至該複數光學波導器1〇5Α、 105Β...105Ν而以SiGe及III-V為基礎之光檢測器，如所示， 可按照本發明之教導偵測用於該複數光束1119A、 1119B...1119N之各種波長。 在第5圖所說明之範例中，電路/幫浦電路系統1161亦 可知:照本發明之教導被包含或整合於該單層半導體材料 103中。例如，於一範例中，該單層半導體材料1〇3係矽， 且控制電路1161可被直接地整合在該石夕中。於一範例中， 按照本發明之教導，該控制電路1161可電麵合至控制、監 視、及/或電激發該多波長雷射陣列式101中之雷射、該複 數功率監示器、該複數光學調變器、該陣列光檢測器、或 其他設置在該單層半導體材料103中之裝置或結構的任何 一個或多個。 於前面之詳細敘述中，已參考其特定之示範具體實施 例敘述本發明之方法及設備。然而，將為明顯的是對其可 26 第96123477號申請案修正頁 100.01.18. 作各種修改及變化，卻未由本發明之更寬闊的精神及範圍 脫離。本說明書及圖面係因此被視為說明性而非限制性的。 【圖式簡單說明3 第1A圖係按照本發明之教導的一說明圖，大致上顯示 一包含反射器之電氣幫浦式併合半導體衰減雷射的範例。 第1B圖係按照本發明之教導的一說明圖，大致上顯示 一包含環型共振器之電氣幫浦式併合半導體衰減雷射的範 例。 第2圖係按照本發明之教導的一側面橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第3圖係按照本發明之教導的一橫截面視圖，大致上顯 示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第4圖係按照本發明之教導的另一橫截面視圖，大致上 顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第5圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第6圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第7圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第8圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大致 上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 第9圖係按照本發明之教導的另一橫截面視圖，大致上 顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 27 1362148 H)6123477 號申請案修100. 01.18. ] 第10圖係按照本發明之教導的又另一橫截面視圖，大 致上顯示一電氣幫浦式併合半導體衰減雷射之範例。 5 第11圖係按照本發明之教導的一概要圖，大致上說明 一包含超高能力發送器-接收器之範例系統，並具有整合之 半導體調變器及一陣列之電氣幫浦式併合黏結的多波長雷 射。 【主要元件符號說明】 101'201'301'401'501'601' 701、8(Π、9(U、1001 …雷 射 103、303、403、503、603、1123 · · · 半導體材料 105、105A〜N、205、1105A〜N··· 光學波導器 107、109、207、209…反射器 113八，1138...113价"光學調變器 117···多工器 119、119A〜N、219、1119A〜N、 1121…光束 120…共振器 121…單一光束 123'223、323、423、523、623、 723、823、923…增益介質 材料 127、227…光學孔腔 161··.電氣幫浦電路 203、1003…半導體層 229、329、429、529、629.··氧 化物層 23卜··基板層 233···主動式增益介質材料 305、405、605…脊形波導器 319、419、519、619…光學模 式 325、 425、525、625...P-層 326、 426、526、626…活性層 328、428…P-四元層 330、430…P-彼覆層 33卜43卜531、631…基板 332、 432…P-光偏限層 333、 433、533' 633…衰減# 28 1362148 第96123477號申請案修正頁 100. 01.18.
合 341 〜345、441-445、541 〜545、 641 〜645、841 〜843、 941〜943、1043…接點 505…條形波導器 528、628...N-III-V層 634、636、734、736…限制區 域 1117…解多工器 1151…光學系統 1153、1155…光纖 1157…外部光學接收器 1159…外部光學發送器 1161…晶片 1163 A, 1163B... 1163N·..光檢測器
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Claims (1)

1362148 雙面影印 第96123477號申請案申請專利範圍修正頁 100.01.18. 十、申請專利範圍： 1. 一種用以提供電氣幫浦式半導體衰減雷射之設備，包 含： 一光學波導器，其形成在矽中； 一活性半導體材料，其設置在該光學波導器上方， 而在該光學波導器及該活性半導體材料之間界定一衰 減耦合介面，使得一欲由該光學波導器所引導之光學模 式重疊該光學波導器及該活性半導體材料兩者；及 10 一電流注入路徑，其完全地界定在該活性半導體材 料之内，且至少局部地重疊該光學模式，使得回應於該 活性半導體材料之電激發作用，且回應於沿著該電流注 入路徑之電流注入，而產生光線。 2. 如申請專利範圍第1項之設備，其十該活性半導體材料 包含一電氣幫浦式發光層。 15 3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該活性半導體材料 包含重疊該光學模式的多重量子井(MQW)區域。 20 4. 如申請專利範圍第1項之設備，其另包含界定在該活性 半導體材料的相反橫側面上之電流注入限制區域’以有 助於局限經過該活性半導體材料的電流注入作用，以重 疊該光學模式。 5. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該等電流注入限制 區域包含該活性半導體材料之質子植入區域。 6. 如申請專利範圍第4項之設備，其中該等電流注入限制 區域包含設置在該活性半導體材料的相反橫側面上之 30 1362148 第96123477號申請案申請專利範圍修正頁 100.01. 18. 至少半絕緣材料。 7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該光學波導器係包 括在一雷射之光學孔腔内。 8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該孔腔係界定於設 置在該半導體材料中之反射器之間。 9. 如申請專利範圍第1項之設備，其更包含設置在半導體 材料中並光學地耦合至該光學波導器之一環型共振器。
10 10. 如申請專利範圍第1項之設備，其另包含界定在該電流 注入路徑的相反端部上之至少第一及第二接點。 11. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該至少第一及第二 接點係直接地耦合至該活性半導體材料。 12. 如申請專利範圍第10項之設備，其中該第一接點係直接 地耦合至該活性半導體材料，且該第二接點係直接地耦 合至該矽。 15
13. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該光學波導器係複 數個波導器之一，該活性半導體材料係設置在該等複數 個波導器上，以形成複數個雷射。 20 14. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該衰減耦合介面包 括一在該光學波導器及該活性半導體材料之間的接合 介面。 15. —種用以提供電氣幫浦式半導體衰減雷射之方法，該方 法包含： 以一形成在矽中之光學波導器引導一光學模式； 重疊該光學波導器及一活性半導體材料兩者，該活 31 1362148 第96123477號申請案申請專利範圍修正頁 100.01.18. 性半導體材料衰減地耦合至該光學波導器，使該光學模 式被引導經過該光學波導器； 電激發該活性半導體材料，以注入被完全地引導在 該活性半導體材料之内及經過該光學模式之電流；及 5 回應於該注入之電流在該活性半導體材料中產生 光線。 16.如申請專利範圍第15項之方法，其另包含以該活性半導 體材料中所界定之限制區域局限該注入電流，以將該注 入電流引導經過該光學模式。 10 17.如申請專利範圍第15項之方法，其中引導經過該活性半 導體材料之注入電流另包含將該注入電流引導經過活 性被動式半導體材料與矽間之一衰減耦合介面、及經過 該光學波導器中之光學模式。 18. 如申請專利範圍第15項之方法，其另包含在一光學孔腔 15 内對光線做雷射激發，該光學孔腔包括該光學波導器。 19. 一種用以提供電氣幫浦式半導體衰減雷射之系統，包 含： 一雷射，其包括： 一光學波導器，其形成在矽中； 20 一活性半導體材料，其設置在該光學波導器上 方，而在該光學波導器及該活性半導體材料之間界 定一衰減耦合介面，使得一欲由該光學波導器所引 導之光學模式重疊該光學波導器及該活性半導體 材料兩者， 32 1362148 * I第96123477號申請案申請專利範圍修正頁 100.01.18. 一電流注入路徑，其完全地界定在該活性半導 體材料之内，且至少局部地重疊該光學模式，使得 回應於該活性半導體材料之電激發作用，且回應於 沿著該電流注入路徑之電流注入，而產生光線； 一光學接收器，其光學地耦合來接收該雷射所產生 之光線；及 一光纖，該雷射所產生之光線係經過該光纖由該雷 射引導至該光學接收器。 10 20. 如申請專利範圍第19項之系統，其另包含一光學調變 器，其光學地耦合來調變該雷射所產生之光線。 21. 如申請專利範圍第19項之系統，其中該活性半導體材料 包含重疊該光學模式之多重量子井(MQW)區域。
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