具有简化构造的单模硅基III-V族混合激光器制造技术

本发明专利技术涉及一种激光装置，包括：III

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有简化构造的单模硅基III
‑
V族混合激光器


[0001]本专利技术的领域是集成光子组件的领域，其使用能够发光的半导体材料的特性和集成电路中常规使用的半导体材料的特性。
[0002]本专利技术更具体地涉及硅基混合激光器，其包括III
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V族异质结构放大介质。

技术介绍

[0003]硅基III
‑
V族混合激光器通常包括：
[0004]‑
增益结构，其包括至少一个III
‑
V族异质结构光放大介质，该异质结构能够发光并且布置为覆盖一段硅波导以与其形成混合波导段，
[0005]‑
光反馈结构，用于为放大介质形成谐振腔，和
[0006]‑
在混合波导段和其他硅波导段，特别是激光发射的光传播段之间的光过渡。
[0007]术语“III
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V族异质结构”是指可使用选自以下非详尽列表的材料：InP、GaAs、InGaAlAs、InGaAsP、AlGaAs、InAsP。这种放大介质(也称为增益介质)的异质结构可以包括各种层的堆叠，例如形成夹在第一掺杂层(优选为N型掺杂)和第二掺杂层(优选为P型掺杂)之间的量子阱的层的堆叠。
[0008]在分布式反馈激光器(即DFB激光器)的情况下，光反馈结构由分布式反射器构成，例如布拉格光栅，在增益结构之下或之中，形成波长选择镜。在分布式布拉格反射器激光器(即DBR激光器)的情况下，光反馈结构由在混合波导段两侧布置在波导中的反射器组成。/>[0009]图1示出了DFB激光器的简化俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出激光器的不同区域。
[0010]DFB激光器包括III
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V族异质结构放大介质，例如形成的夹在N型掺杂InP层1和P型掺杂InP层2之间的量子阱的堆叠QW。由层1和层2以及量子阱堆叠QW形成的夹层厚度通常在2到3μm之间。激光器包括硅光波导。例如，其包括脊形波导，脊形波导包括由脊部4覆盖的平板波导3。波导包括面向放大介质的中心部分的耦合段41、布置在耦合段41两侧的两个过渡段42、43、以及分别光耦合到过渡段42、43中的一个的两个传播段44、45。过渡段42、43的尺寸设计成使得在耦合段41和相应的传播段44、45之间几乎没有传输损耗和反射率。如现有技术已知的，用于此目的的脊形波导3、4较厚(平板3和脊部4的累积厚度因此通常大于或等于400nm，或500nm)，并且过渡段42、43比传播段44、45宽(对于500nm的厚度，通常为400nm的宽度)。布拉格光栅形成在耦合段41中以提供光反馈。来自激光器腔的光因此与硅波导耦合并在输出处沿着箭头F1和F2从传播段44、45中的每一个传播。
[0011]布拉格光栅通常是通过在脊部4中以周期蚀刻一阶四分之一波结构而形成，其中λ
m0
是真空中的波长，n
eff
是混合波导的有效指数(AA截面)。布拉格光栅可以设计成通过在耦合段的中心引入S段作为四分之一波型相位跳跃来执行激光装置的单模操作。对于1310nm的真空波长λ
m0
和约3.25的标准指数n
eff
，布拉格光栅的周期通常约为200nm。这种光栅的制造需要高分辨率的光刻，因此控制仍然相对复杂。
[0012]此外，具有支撑在InP衬底上的量子阱结构的单模激光器是已知的，其可以通过较低分辨率的光刻制造。如图2所示，这些激光器使用波导的切割面(cleaved facet)形式的镜C1、C2作为反馈结构。这些激光器(称为“离散模式激光器(DML)”)的单模操作是通过沿着与量子阱结构耦合的波导脊部蚀刻槽部F产生折射率干扰而提供。槽部被形成为使得所有光路的长度L(槽部的长度、槽部之间的距离、槽部与镜之间的距离)遵守其中S为自然整数(0,1,2...)，λ
m0
是用于激光模式的真空波长，n
eff
是槽部处的有效指数。因此，L是四分之一波模式的奇数。在适当情况下，类似于DFB激光器的S段，可以在槽部之间或在槽部与镜之间引入额外的四分之一波相移。
[0013]与在InP衬底上制造的DFB激光器相比，DML激光器具有更好的选择性，因为其导致较窄的线宽和对外部反射的降低的灵敏度。DML激光器可以使用低分辨率光刻制造，因为槽部的长度和它们之间的距离可以是高阶腔(例如或)。实际上，由于这些高阶腔造成的辐射损耗对于DML激光器的危害要小于对DFB激光器的危害，DM激光器需要的槽数(通常小于100)明显低于DFB激光器的布拉格光栅的齿数(400μm长的光栅大约有2000个齿)。在这种DML激光器中，槽部是通过在激活区上方的InP材料中进行光刻和蚀刻产生的。因此，可以很好控制一个槽部相对于另一个槽部的相对定位。另一方面，不可能精确地控制镜C1、C2相对于不同槽部的位置，因为这些镜C1、C2是通过切割获得的，切割精度最高为10μm。镜相对于槽部的定位的不确定性会导致激光器故障。
[0014]解决方案可以是使用DBR激光器所采用的光反馈结构，即在混合波导段两侧布置在硅波导中的反射器，而不是使用切割面。
[0015]为此，图3示出了DBR激光器的简化俯视图，该俯视图随附有横向于光传播方向截取的三个截面，示出了激光器的不同区域。DBR激光器包括III
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V族异质结构放大介质，例如形成的夹在N型掺杂InP层1和P型掺杂InP层2之间的量子阱的堆叠QW。激光器包括硅光波导，例如脊形波导，其包括由脊部4覆盖的平板波导3。波导包括面向放大介质的中心部分的耦合段41、布置在耦合段41两侧的两个过渡段42、43、与其中一个过渡段42光耦合的传播段44以及与另一个过渡段43光耦合的反射段45。过渡段42、43的尺寸设计成使得几乎没有传输损耗和反射率。
[0016]两个镜M1、M2布置在放大介质外部以形成光反馈结构。如图3所示，通常由相对于III
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V族异质结构放大介质布置在两侧的布拉格光栅组成，一个M2由传播段44支撑，另一个M1由反射段45支撑。由反射段45支撑的镜M1具有高反射率(大于90％)，而由传播段44支撑的镜M2具有低反射率(小于50％)。来自激光器腔的光因此与硅波导耦合并在输出处沿着箭头F3从传播段44传播。
[0017]然而，由于以下两个原因，在具有放大介质的耦合段之外在硅波导中形成两个镜的这种解决方案并不令人满意。
[0018]为了使过渡段42、43既不表现出传输损耗也不表现出反射性，脊形波导3、4因此较厚，平板3和脊部4的累积厚度通常大于或等于400nm，或500nm。在平板3的厚度为300nm，脊部4的厚度为200nm并且考虑到通过将脊部4的宽度从wl＝1500nm减小到wn＝500nm来形成
布拉格光栅的情况下，布拉格光栅对于1310nm的波长具有200nm的周期。对于DFB激光器，这种光栅的制造需要高分辨率的光刻，因此进行控制仍然是相对复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光装置，包括：III
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V族异质结构放大介质(1，QW，2)；硅光波导(3，4)，包括面向所述放大介质的中心部分的耦合段(51，61，71)、传播段(54，64，74)和布置在所述耦合段(51，61，71)和所述传播段(54，64，74)之间的第一过渡段(52，62，72)；第一反射结构和第二反射结构(Mf，Mr)，允许在所述第一反射结构和所述第二反射结构之间形成用于所述放大介质的法布里
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珀罗型谐振腔；其特征在于，所述耦合段(51，61，71)包括设置有微反射器的折射率干扰区域(510，610，71)，所述微反射器通过减小所述耦合段的厚度和/或宽度来进行设计，所述微反射器具有为的长度并且彼此分隔开大于的距离，其中m是奇数，n是整数，λ
m0
是真空中的波长，n
eff
是所述折射率干扰区域的有效指数；其中，所述第一反射结构(Mf)形成在所述波导的具有第一厚度的一段中；并且其中，所述第二反射结构(Mr)形成在所述波导的具有第一厚度并且通过所述波导的第二过渡段(53，63，73)与所述耦合段(51，61，71)分隔开的一段(55，65，75)中，所述第二过渡段(53，63，73)具有大于所述第一厚度的第二厚度。2.根据权利要求1所述的激光装置，其中，所述第二反射结构(Mf)的反射率大于所述第一反射结构(Mr)的反射率。3.根据权利要求2所述的激光装置，其中，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：法国原子能源和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：