混合波导激光器和用于制造混合波导激光器的方法技术

本申请涉及混合波导激光器和用于制造混合波导激光器的方法。提供了亚微米III-V波导激光器，该激光器包括：宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导；邻近该波导横向各侧的横向包层；以及用于把光限制在波导内的光限制元件。该波导可包括III-V叠层，其包括：下包层、有源区和上包层。激光器可光耦合至输出波导。它可被电泵浦。提供了用于把亚微米III-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法，该方法包括：在硅衬底上提供电绝缘层，通过该电绝缘层来蚀刻宽度范围在50nm和800nm之间的沟槽，通过局部外延生长在沟槽内提供III-V叠层以形成沟道波导，并提供光限制元件以便把光限制在沟道波导内。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本申请涉及。提供了亚微米III-V波导激光器，该激光器包括：宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导；邻近该波导横向各侧的横向包层；以及用于把光限制在波导内的光限制元件。该波导可包括III-V叠层，其包括：下包层、有源区和上包层。激光器可光耦合至输出波导。它可被电泵浦。提供了用于把亚微米III-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法，该方法包括：在硅衬底上提供电绝缘层，通过该电绝缘层来蚀刻宽度范围在50nm和800nm之间的沟槽，通过局部外延生长在沟槽内提供III-V叠层以形成沟道波导，并提供光限制元件以便把光限制在沟道波导内。【专利说明】
所公开的技术涉及混合波导激光器(例如，亚微米混合波导激光器)以及用于把此类波导激光器集成在硅光子平台上的方法。
技术介绍
受到来自光I/O、电信、光计算以及其他应用的需求的驱驶，在硅上集成II1-V器件的领域内正在开展大量研究。已经提出各种选项用于在基于硅的光子学平台上集成电泵浦激光器和光学放大器。 单独的激光器管芯可以是安装到硅光子晶片的倒装芯片或可使用外延剥离过程被转移到硅平台。紧密的机械对准要求降低了这个选项的吸引力，尤其对其中每个芯片所需激光器数量在过去数年增加了的波分多路复用(WDM)系统而言。 替换地，键合方法可用于实现II1-V激光器在硅光子平台(例如，基于SOI)上的混合集成而无需封装过程中的严苛对准。这一方法的示例是分子直接键合和粘结键合。在分子直接键合方法中，通过界面键合实现不同晶片/管芯间的强键合。粘结键合技术使用胶(例如，聚合物或金属)来实现晶片键合。这些键合方法的优点是通过光刻一起实现了诸II1-V结构和诸硅结构之间的对准。此外，许多激光器是通过将单个II1-V管芯或II1-V晶片键合到硅芯片上而制造的，这允许与适于WDM链路的其它硅光子组件一起集成的多个波长激光器阵列的制造。然而，使用管芯键合或晶片键合方法相对昂贵。 除了基于集成的键合方法之外，在硅上进行II1-V层的外延生长重获材料科学和光学工程二者的兴趣。尽管硅和典型II1-V材料间有大晶格失配，在材料质量和器件性能二者上相当多的改善是通过诸如晶格匹配生长，对自组织位错网络、横向外延附晶生长以及量子点外延的使用等技术而实现的。然而，这一方法导致由于对昂贵的II1-V材料的极大消耗而引起的相对高的制造成本。
技术实现思路
本专利技术的某些方面涉及集成在硅光子平台上的II1-V波导激光器(例如，亚微米II1-V波导激光器)以及用于把此类II1-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法。 根据本专利技术的一方面，集成在硅光子平台上的亚微米II1-V波导激光器包含:宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导；邻近该沟道波导横向各侧的横向包层；以及用于把光限制在亚微米沟道波导内的光限制元件。该沟道波导例如可包括πι-v叠层，其包括:下包层、有源区和上包层，然而本公开不受限于此。 应当注意到，在本申请的上下文中术语“光限制元件”可以是使沟道波导内(优选在有源区内)对光的限制得以改善的任何类型的元件或特征，即，使得保留在亚微米沟道波导内(例如，在该亚微米沟道波导的有源区内)的光量得以增加的任何类型的元件或特征。可邻近该沟道波导提供该光限制元件。 根据本公开的实施例，该光限制元件可包括覆盖层，该覆盖层是覆盖该沟道波导且包括高折射率材料的层。该覆盖层例如可包含非晶硅、多晶硅或氮化硅。例如，它的厚度范围可在50nm和200nm之间，但本公开不受限于此。在此类实施例中，沟道波导的宽度优选在50nm和300nm之间的范围，例如在10nm和30nm之间。 应当注意到，在本申请的上下文中术语“高折射率材料”是所具有的折射率比横向包层的折射率高的材料。。例如，在这一申请的上下文中，高折射率材料可具有范围在2和4之间(优选大于3)的折射率。 亚微米II1-V波导激光器可光耦合至输出波导。根据本公开的实施例，输出波导可以是沉积式波导，例如具有用与覆盖层相同材料制成的芯。根据另一实施例，输出波导例如是制造在绝缘体上硅(SOI)材料系统中的波导，该输出波导的芯形成在SOI晶片的硅器件层内。激光器和输出波导间的光耦合可通过直接耦合来获得，其中激光器的有源区在该激光器的端面处与输出波导直接接触。替换地，激光器和输出波导间的光耦合可通过倏逝耦合来获得，其中，举例而言，该覆盖层与该沟道波导一起充当第一波导，并且其中提供基本平行于第一波导且距第一波导的距离小于500nm的输出波导，从而可在第一波导和输出波导之间获得倏逝耦合。激光器和输出波导间的光耦合还可通过光栅辅助耦合来获得，其中提供足够接近该激光器波导的带有光栅的输出波导。倏逝耦合可由光栅的存在而显著改变，这可提供对耦合效率的良好控制。 根据本公开的实施例，用于把光限制在沟道波导内的光限制元件可包括被提供在横向包层内在沟道波导的横向两侧处的台地(plateau)，从而使沟道波导呈T形，S卩，具有第一窄波导部分(例如宽度在50nm和200nm之间的范围，且高度在400nm和600nm之间的范围)以及覆盖该第一波导部分的第二宽波导部分，该第二波导部分包含有源区并且例如具有在400nm和800nm之间范围的宽度以及在250nm和600nm之间的高度。然而，本公开并不受限于此，并且可以使用其它适用的尺寸。 亚微米II1-V波导激光器可被光f禹合至输出波导,该输出波导例如可以是(例如，由非晶硅、多晶硅或氮化硅制成的)沉积式波导，但本公开不受限于此。替换地，输出波导例如是制造在绝缘体上硅(SOI)材料系统中的波导，该输出波导的芯形成在SOI晶片的硅器件层内。激光器和SOI波导间的光耦合例如可通过如上所述的直接耦合、倏逝耦合或光栅辅助耦合来获得。 根据本公开实施例的波导激光器的优点在于它可以小(亚微米级)并且可具有低阈值和低功耗。 根据本公开实施例的激光器的优点在于它可以被电泵浦。为了启用电荷载流子的电注入，可提供包括接触的第一金属和包括接触的第二金属，其中包括接触的第一金属与II1-V波导叠层的下包层电接触，而包括接触的第二金属与II1-V波导叠层的上包层电接触。包括接触的第一金属可与下包层间接电接触，例如通过其上提供有II1-V叠层的掺杂的硅衬底。包括接触的第二金属可与上包层间接接触，诸如举例而言通过本公开实施例中的覆盖层。替换地，包括接触的第二金属可与上包层间接接触，例如在实施例中通过根据本公开的T形沟道波导。 根据本公开的第二方面，提供了用于把亚微米II1-V波导激光器集成在硅光子平台上的方法。该方法包括:在硅衬底上提供电绝缘层，通过该电绝缘层蚀刻宽度范围在约50nm和约800nm之间的沟槽，由此局部地暴露该硅衬底，通过局部外延生长在沟槽内提供II1-V叠层以形成沟道波导，并提供光限制元件。 根据本公开的方法的实施例，提供光限制元件可包括提供覆盖层，该覆盖层是覆盖该沟道波导且包含高折射率材料的层。例如，在这一申请的上下文中，高折射率材料可具有范围在2和4之间(优选大于3)的折射率。该覆盖层例如可包括非晶硅、多晶硅或氮化硅。例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚微米III‑V波导激光器，包括：宽度范围在50nm和800nm之间且高度范围在500nm和1200nm之间的沟道波导(100、200)，所述沟道波导(100,200)具有第一横向侧和第二横向侧；邻近所述沟道波导的所述第一横向侧和所述第二横向侧的横向包层(2)；以及用于把光限制在所述沟道波导内的光限制元件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D·范托尔豪特，Z·王，J·范卡姆潘豪特，M·潘图瓦基，
申请(专利权)人：IMEC公司，根特大学，
类型：发明
国别省市：比利时;BE