微环形激光器系统和方法技术方案

公开了一种用于电泵浦激光器系统的系统和方法。该系统包括硅微环形谐振腔。由Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成的量子阱与微环形谐振腔光学耦合以提供光增益。由Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成并掺杂有第一类载流子的梯形缓冲器光学耦合到量子阱。环形电极耦合到该梯形缓冲器。该梯形缓冲器使得环形电极与微环形谐振腔的光模基本隔离开。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
在过去的几十年中，随着计算能力和数据存储容量的指数增长，相应存储数据 量也得到指数增长。曾经是文本文件和些许低分辨率图片的领地的计算机目前经常被用 于存储上千张高分辨率图片和数小时的视频。电视机在被升级以显示高清视频。新一代 光盘已被开发出来以存储高清视频。该光盘能够在每一面存储50千兆字节之多的数据。 这足以存储数小时的高清格式的视频。曾经的较高密度存储格式正被开发用来存储日渐 增长的信息量。移动和传输这些数量庞大的数字信息正变得更具挑战性。每年都有更多的能够 与其他设备进行数字通信的电子设备可以利用。包括计算机、高清电视、高清无线电装 置、数字音乐播放器、便携式计算机以及许多其他类型的设备的电子产品已被设计成发 送和接收大量信息。如今，很多计算机接收遍及家庭的宽带互联网。电视正接收来自电 缆和光纤的多个高清信号。为了传输存储在计算机中的巨量数据并将其广播到电视机和其他电子设备，以 更快的速率发送数据。然而，传输速率跟不上数据激增。例如，为了将典型的15千兆字 节的高清电影从光盘传输到家庭娱乐系统，需要以每秒100M比特的速率传输20分钟。 对于很多用户而言，花费20分钟来转移一部电影可能是颇具负担的。同样地，需要计算系统中的处理器、存储器、其他芯片和计算机板之间的更高 带宽的通信。减少在计算机芯片间移动大量数字信息所花费的时间量的一种方式是以更 快的速度传输信息。然而，能够在合理的时间内移动大量数据的传输速度向来都是成本 太高而难以在消费性电子产品中广泛使用。附图说明图1示出根据本专利技术实施例的混合III “ V硅微环形电泵浦激光器系统的截面视 图；图2示出根据本专利技术实施例的采用图1所示的结构所激发的光模的横截面视 图；图3示出根据本专利技术实施例的与光波导倏逝耦合的微环形电泵浦激光器系统的 俯视图；图4示出根据本专利技术实施例的具有梯形缓冲器的微环形电泵浦激光器系统的截 面视图；图5示出根据本专利技术实施例的采用图4所示的结构所激发的光模的截面视图；以 及图6示出流程图，该流程图示出根据本专利技术实施例的用于形成用于激发具有选 定波长的光的电泵浦激光器的方法。具体实施例方式硅上光电集成是用于在芯片上构建光互连系统和其他大规模光子系统的技术。 集成光子系统通常使用较低成本且易于集成的电泵浦激光源。然而，硅由于受到其基本 材料特性的限制而不能有效地提供用于激光器运行的电泵浦光增益。因此，诸如位于硅 平台上的III - V族半导体的增益材料的混合集成能够用来构建芯片上电泵浦激光器。为了使集成电泵浦激光源具有市场，将III - V族增益材料集成到硅上的工艺需 要具有相对低的成本且易于实施。在一实施例中，本专利技术提供了一种用于制作微环形谐 振腔的系统和方法，该微环形谐振腔可用作能够以大于1GHZ的速度被直接调制的较小的 芯片上激光源。采用环形调制器的电泵浦激光源可用于使信息跨越芯片被发送、然后离 开芯片而至波导和相邻的电子设备。采用环形调制器的电泵浦激光源可以相对低廉地被 实施，这是因为其依赖于在接合步骤中不要求严格的对准的晶圆接合，而通常在芯片接 合中需要严格的对准。图1示出混合III - V族硅微环形电泵浦激光器系统100的截面视图。在本示例 中，硅基板102被显示为支撑该激光器系统。用于半导体制造工艺中的其他类型的基板 被视为在本专利技术的范围之内。下覆物104可形成在硅基板上。硅微环形谐振腔105可构 建在下覆物的表面上。下覆物用于大体上将光限制在硅微环形谐振腔内。下覆物可由折射率小于硅微环形谐振腔的折射率并且在注入谐振腔中的光的波 长处大体上透明的材料构成。例如，下覆物可采用二氧化硅来形成。可替换地，下覆物 可由诸如氮化硅的材料或满足上述要求的其他材料来形成。在微环形谐振腔以内120和 以外106的区域也可由折射率小于谐振腔的折射率并且在注入谐振腔中的光的波长处大 体上透明的材料来形成。在一实施例中，微环形谐振腔以内和以外的区域可由空气或真 空形成。可替换地，可采用诸如二氧化硅或氮化硅的其他物质。硅微环形谐振腔105可具有与微环形谐振腔所载送的光的波长大致相称或稍小 的半径。可替换地，硅微环形谐振腔的半径可大于该光的波长。例如，该光的波长可为 1.54微米，而被配置为载送该光的微环形谐振腔的半径可大约为3微米。硅微环形谐振 腔的典型尺寸根据该光的波长和其他设计考虑可在2.5微米到数十微米之间改变。也可采 用其他光波长，诸如在远程通信中通常使用的1.31微米波长。硅微环形谐振腔可设计成 载送范围从深红外(deep infrared)光到紫外光的光波长。可跨越与微环形谐振腔105光学耦合的量子阱112而构建PN结。量子阱是将最 初在三维上自由移动的载流子限制到两维上、从而迫使它们占据一平面区域的势阱。因 为它们的准两维特性，量子阱中的电子具有比体材料更陡的态密度。使用量子阱结构来改 变半导体的态密度，并且量子阱结构导致改进的半导体激光器，该改进的半导体激光器与 诸如传统的双异质结构的其他类型的结构相比需要更少的载流子(电子和空穴)达到激光器 阈值。量子阱可由III-V族材料诸如磷化铟、磷砷化镓铟等构成。如可以理解的，在所公 开的实施例中可使用单个或多个量子阱。量子阱112可以是接合到缓冲器层108的晶圆。 如前面所讨论的，将量子阱接合到缓冲器层的晶圆可提供制造设备时的更低的公差。由两个触点108、114形成的PN结也可由III-V族材料构成，其中该材料掺杂有 载流子。在一实施例中，n型掺杂触点108可直接置于硅微环形谐振腔105上。可使用 支撑物118来支撑n型掺杂触点。量子阱112可置于n型掺杂触点上并与微环形谐振腔共轴对准，以使量子阱能够与微环形谐振腔光学耦合。P型掺杂触点114可置于量子阱 的与n型掺杂触点相对的一面上以形成PN结。在一实施例中，可认为量子阱是本征层。 这样便可将p型触点、n型触点以及量子阱看作PIN结。可如图1所示那样布置电极116和110以使PN结正向偏置，以便在量子阱112 中提供载流子。在一实施例中，电极可由金属材料形成。可替换地，可使用大体上导电 的非金属材料或复合物来将电流注入量子阱中。中央电极116可耦合到p型触点114并被 布置得与量子阱和微环形谐振腔105共轴。中央电极的外缘和微环形谐振腔的内缘之间 的距离117可大约为0.3到1.0微米。外电极110可位于微环形谐振腔的外面。外电极 可与量子阱间隔0.5到1.0微米的距离。n型触点108、量子阱112以及p型触点的组合 厚度115可大约为0.2到0.4微米。可使用电极来使PN结正向偏置并将电流注入到量子 阱中。显然，可以交换n型掺杂和p型掺杂的触点并且使偏置反向来取得相同的结果。在先有的电泵浦二极管激光器中，与半导体材料接触的电极具有高的光损耗。 因此，通常将电极与谐振腔的光模隔离开。这意味着必须将电极放置得离光学谐振腔的 中心几微米远。在图1所示的电泵浦激光器系统100中，量子阱112的增益介质在硅基 微环形谐振腔105的顶部被结合。与顶部电极的模隔离通常是在量子阱和中央电极之间使用相对厚的缓冲器层。 该缓冲器层的折射率与硅的折射率接近。该厚缓冲器层的存在会严重制约将光限制在微 环形谐振腔内的能力，这是因为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电泵浦混合Ⅲ－Ⅴ族和硅激光器系统，包括：　　硅微环形谐振腔４０５；　　由Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成的量子阱４１２，其与所述硅微环形谐振腔４０５光学耦合以提供光增益；　　由掺杂有第一类载流子的Ⅲ－Ⅴ族半导体材料形成的梯形缓冲器４１４，其中所述梯形缓冲器４１４光学耦合到所述量子阱４１２；　　环形电极４１０，其耦合到所述梯形缓冲器４１４，其中所述梯形缓冲器４１４使得所述环形电极４１０与所述微环形谐振腔４０５的光模基本隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：Q徐，M菲奥伦蒂诺，RG博索莱尔，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US