垂直耦合表面蝕刻光柵分布反饋激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種與MGVI設(shè)計和制造方法完全兼容的LCSEG-DFB激光器，用于多功能PIC內(nèi)的單增長單片集成電路。其包括臺面形式的激光器PIN結(jié)構(gòu)，從上發(fā)射層頂面通過有源，假定為MQW、增益區(qū)向下蝕刻至下發(fā)射器頂面。下部電觸頭鄰近臺面設(shè)置，臺面設(shè)在下發(fā)射層，上接觸帶設(shè)在臺面頂部上的上發(fā)射層。從臺面頂面、上接觸帶之間，穿過上發(fā)射層，向下蝕刻入SCH層，限定/蝕刻成了SEG。SCH結(jié)構(gòu)提供了垂直約束，臺面底部中的側(cè)面提供了橫向約束。導(dǎo)模通過垂直翼穿透SEG及與SEG消散消散場耦合實現(xiàn)與SEG的相互作用。
【專利說明】垂直耦合表面蝕刻光柵分布反饋激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其涉及光子集成電路中所使用的分布反饋激光器的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族半導(dǎo)體激光二極管是近紅外波段范圍內(nèi)相干輻射最有效、最小巧的來源。因此，II1-V族半導(dǎo)體激光二極管是在基于石英光纖的光通信系統(tǒng)中的不二選擇。石英光纖具有透明的窗口，射入這些II1-V族半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)射范圍內(nèi)。然而，對于所有激光二極管，獲得光學(xué)增益的基本原理都是一樣的，并與由向正向偏壓PIN結(jié)輸入電流而引起的自由載流子群的倒轉(zhuǎn)有關(guān)。半導(dǎo)體激光器設(shè)計的不同主要在于光腔的解決方法。最常見且最優(yōu)選的解決方法之一就是分布反饋(DFB)腔。DFB腔為激光器設(shè)計者帶來了許多好處，包括提供動態(tài)單頻產(chǎn)生的可能性，能在通過平板印刷術(shù)構(gòu)建過程中控制激光頻率，以及通過光波導(dǎo)、調(diào)制器和其他波導(dǎo)光器件實現(xiàn)單片化的可行性。因此，擁有DFB腔的半導(dǎo)體激光二極管(以下簡稱DFB激光器)已經(jīng)成為先進(jìn)的光通信系統(tǒng)的激光源的一種選擇。同時，DFB激光器是一種可以解決光子集成電路(PIC)問題的片上激光光源。PIC將光電路上不同的有源和無源波導(dǎo)功能性元件單獨整合到一個半導(dǎo)體基底上。
[0003]在先進(jìn)的光網(wǎng)絡(luò)背景下，不管是本地接入還是長途應(yīng)用，這些動態(tài)單頻DFB激光器在整個網(wǎng)絡(luò)上均得到普遍使用，該系統(tǒng)只需低頻芯片(如通過彌散型纖維進(jìn)行的高速長途傳送)或是固定的載波頻率(如高密度波分多路復(fù)用)或者兩者兼有。因此，DFB激光器是電信市場上需求最大、產(chǎn)量也最大的光學(xué)器件。電信市場上大多數(shù)DFB激光器都工作在1550nm或者1310nm的波長窗口，分別對應(yīng)于石英光纖的最小損耗和最小彌散光譜范圍。選擇的材料系統(tǒng)一般包含這些波長窗口，成為II1-V族磷化銦(InP)化合物半導(dǎo)體(以下簡稱II1-V族半導(dǎo)體)。
[0004]從PIC角度來說，DFB激光器是種很有吸引力的設(shè)計選擇。它不僅有動態(tài)單頻運行的優(yōu)勢，而且很適合與其他波導(dǎo)組件實現(xiàn)單片整合。有源組件(如電吸附調(diào)制器)和無源組件(模式轉(zhuǎn)換器)整合在同一個半導(dǎo)體基底上。這一半導(dǎo)體基底是個激光器，附有一個剖面的腔，如法布里珀羅激光器(FB)。在如今光通信系統(tǒng)的大多數(shù)應(yīng)用中，擁有激光源的PIC與單機(jī)激光器類似，需要在1550nm或是1310nm的波長窗口里運行，使得InP以及相關(guān)II1-V族半導(dǎo)體自然地分別成為PIC的基底和材料系統(tǒng)的選擇。
[0005]盡管覆蓋以上重要通信光譜窗口的單機(jī)InP基DFB激光器已經(jīng)進(jìn)入大量生產(chǎn)的階段，但是為片上光源提供激光器的InP基PIC依然處于萌芽狀態(tài)。至今只有少數(shù)公司進(jìn)行這樣的生產(chǎn)。一部分原因在于光集成本身的難度，但主要原因在于無法經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行光集成，不僅使PIC很難與微光學(xué)集成電路或混合集成電路競爭，而且動態(tài)地縮小了這些PIC的市場機(jī)會。因此，設(shè)計和制造可以兼容InP材料系統(tǒng)中高性價比單片光集成的DFB激光器，依然是PIC技術(shù)向大規(guī)模商業(yè)化和部署的道路上急需解決的重要問題。
[0006]DFB激光腔的工作原理基于光波導(dǎo)中多波束干擾，光波導(dǎo)從導(dǎo)波開始周期性地對有效折射率進(jìn)行調(diào)制，以下簡稱波導(dǎo)布拉格光柵。更具體來講，從布拉格光柵中經(jīng)歷了多次反射的同向?qū)Рㄔ谕幌辔徊⑼ㄟ^相長干涉增加的情況下，DFB腔效應(yīng)才會出現(xiàn)。對于任意給定的光柵級別m，這種情況只會在由公式(I)所算出的布拉格波長附近發(fā)生的反向?qū)Рㄖg的直接共振耦合時才會出現(xiàn):
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，包括: 在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的臺面，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以支持基本光模的一個生長過程生長在半導(dǎo)體襯底上，包括多個半導(dǎo)體層，在多個半導(dǎo)體層構(gòu)成的第一預(yù)定層內(nèi)形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蝕刻光柵，其中，所述底切與臺面可限制基本光模和電流注入到臺面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 表面光柵處理表面光柵和基本光模之間耦合系數(shù)的虛部信號，以建立“增益型”或“損失型”耦合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2所述的設(shè)備，其中: 臺面進(jìn)一步包括一對分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)和有源層，這樣基本光模根據(jù)注入的電流實現(xiàn)光學(xué)增益。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的設(shè)備，其中: 表面蝕刻光柵被蝕刻到多個半導(dǎo)體層的最上層，蝕刻深度為預(yù)定深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1至4所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 第一電觸頭，設(shè)置在相鄰表面蝕刻光柵的臺面上， 第二電觸頭，設(shè)置在多個半導(dǎo)體層和相鄰臺面下面的半導(dǎo)體層上。
6.一種方法，包括: 提供在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的臺面，其中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以支持基本光模的一個生長過程生長在半導(dǎo)體襯底上，包括多個半導(dǎo)體層，在多個半導(dǎo)體層構(gòu)成的第一預(yù)定層內(nèi)形成的底切和垂直耦合至基本光模的表面蝕刻光柵，其中，所述底切與臺面可限制基本光模和電流注入到臺面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中: 提供表面光柵的過程包括將表面光柵和基本光模之間耦合系數(shù)的虛部信號設(shè)定為預(yù)定值，以建立“增益型”或“損失型”耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6至7所述的方法，其中: 提供臺面的過程進(jìn)一步包括提供一對分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)和一個有源層，這樣基本光模根據(jù)注入的電流實現(xiàn)光學(xué)增益。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8所述的方法，其中: 提供表面蝕刻光柵的過程包括將多個半導(dǎo)體層的最上層蝕刻到預(yù)定深度。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 提供第一電觸頭，該觸頭設(shè)置在相鄰表面蝕刻光柵的臺面上；以及 提供第二電觸頭，該觸頭設(shè)置在多個半導(dǎo)體層和相鄰臺面下方的半導(dǎo)體層上。
11.一種設(shè)備，包括: 外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括以一個生長過程在半導(dǎo)體襯底上生長的多個半導(dǎo)體層；以及 處理外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光學(xué)發(fā)射器，該光學(xué)發(fā)射器包括: 臺面，該臺面從發(fā)射層的上部順序向下通過分離限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)、有源層和底切層蝕刻到下發(fā)射層的上表面而形成； 底切層，通過蝕刻臺面內(nèi)一層的預(yù)定量而形成；以及 表面光柵，在上發(fā)射層預(yù)定的中間部分形成，其中所述臺面和底切用于提供光學(xué)發(fā)射器內(nèi)光模傳播的垂直和橫向約束。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中: 臺面內(nèi)的層為底切層或有源層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11至12所述的設(shè)備，其中: 臺面的層內(nèi)形成底切的過程進(jìn)一步包括將臺面內(nèi)其它每層蝕刻預(yù)定量，預(yù)定量針對其它每層的情況而不同。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 垂直耦合器，用于將光學(xué)發(fā)射器的發(fā)射光模耦合到半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的一個無源波導(dǎo)上，該無源波導(dǎo)垂直設(shè)置在光學(xué)發(fā)射器的下方，其特征在于其帶隙低于有源層的帶隙。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14所述的設(shè)備，其中: 光學(xué)發(fā)射器至少在DFB和DBR配置中的一個配置下運行。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15所述的設(shè)備，其中: 表面光柵通過對在外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的上發(fā)射層內(nèi)的周期性結(jié)構(gòu)中的單一系列蝕刻到上發(fā)射層和單獨的密閉異質(zhì)結(jié)構(gòu)中至少一個的預(yù)定深度形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: 第一電觸頭，在上發(fā)射層的頂部形成；以及` 第二電觸頭，在下發(fā)射層的頂部形成，設(shè)置在臺面相鄰處。
【文檔編號】H01L33/00GK103460527SQ201080070812
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月2日
【發(fā)明者】克里斯托弗·沃特森, 基里爾·皮梅諾夫, 瓦萊麗·托斯汀基, 吳芳, 尤芮·隆戈維 申請人:奧尼奇普菲托尼克斯有限公司