用于光子集成电路的混合垂直腔激光器的制造方法

用于光子集成电路的混合垂直腔激光器的制造方法
【专利摘要】本公开提供一种用于光子集成电路（PIC）的混合垂直腔激光器。用于PIC的混合垂直腔激光器包括：光栅反射镜，在两个低折射率层之间；光波导，光耦合到光栅反射镜；III-V半导体层，包括有源层，设置在两个低折射率层的中的一个上；以及上反射镜，覆盖III-V半导体层。光栅反射镜包括形成彼此平行布置的多个柱状的低折射率材料部分。低折射率材料部分在宽度方向上具有至少两个不同的宽度。
【专利说明】用于光子集成电路的混合垂直腔激光器
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于光子集成电路(PIC)的混合垂直腔激光器，更具体地，涉及包括光栅反射镜(grating miiror)作为垂直腔激光器的底部反射镜的混合垂直腔激光器，其中该光栅反射镜水平地传输由垂直腔激光器发射的光。
【背景技术】
[0002]使用金属线用于数据传输的电连接由于在较高的频率下不断增加的传播损耗以及电磁干扰(EMI)问题而遭受高功耗，从而导致在实现数据收发系统的布局中的困难。相反，利用光来发送/接收数据的光学互连技术提供低的传播损耗以及低的EMI，从而可以实现高速、高带宽数据收发系统。
[0003]混合垂直腔激光器具有其中由II1-V半导体形成的垂直腔激光器集成在硅结构上的结构。
[0004]娃基PIC包括光源、光波导、光调制器、光滤波器、光探测器和其它光学部件,并通过光学互连来输送信号。
[0005]用于光学互连的垂直腔激光器将垂直共振的激光束传输到水平取向的光波导。在该情形下，增加光耦合效率是重要的。特别地，当由II1-V半导体构建的垂直腔激光器被集成到娃基板上时，需要一种将激光束有效地传输到娃光波导的结构。

【发明内容】

[0006]提供一种用于光子集成电路(PIC)的混合垂直腔激光器，该混合垂直腔激光器使用光栅反射镜，该光栅反射镜在从共振器发出的激光束与光波导之间具有改善的耦合效率。
[0007]额外的方面将在以下的描述中被部分地阐述，并将部分地从该描述而变得明显，或者可以通过实践给出的实施方式而掌握。
[0008]根据本发明的一方面，一种用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间；光波导，沿第一方向光耦合到光栅反射镜的一侧；II1-V半导体层，包括有源层，设置在两个低折射率层的中的一个上；以及上反射镜，覆盖II1-V半导体层。光栅反射镜包括形成在两个低折射率层之间的硅层中且沿垂直于第一方向的第二方向彼此平行地布置的多个柱状的低折射率材料部分，多个低折射率材料部分具有比硅的折射率低的折射率，且具有在第一方向上的至少两个宽度。
[0009]低折射率材料部分可以是空气层。
[0010]至少两个宽度可以包括第一宽度和第二宽度，第二宽度比第一宽度大IOnm至50nmo
[0011]具有第一宽度的低折射率材料部分可以与具有第二宽度的低折射率材料部分交
替地布置。
[0012]对于至少每两个具有第一宽度的低折射率材料部分，可以提供一个具有第二宽度的低折射率材料部分。
[0013]对于每N个具有第一宽度的低折射率材料部分，可以提供小于N个的具有第二宽度的低折射率材料部分，其中N是大于等于3的整数。
[0014]第一宽度可以为约IOOnm至约200nm。
[0015]光栅反射镜和光波导可以形成在氧化物上硅(SOI)基板的上硅层中。
[0016]多个低折射率材料部分之间的硅层可以具有相同的宽度。
[0017]混合垂直腔激光器还可以包括第三低折射率层，该第三低折射率层具有比硅的折射率低的折射率，设置在光栅反射镜与在II1-V半导体层下面的低折射率层之间，并具有与光栅反射镜的硅层相同的形状。低折射率材料部分可以具有由硅层、第三低折射率层和两个低折射率层围绕的柱形。
[0018]根据本发明的另一方面，一种用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间；光波导，沿第一方向光耦合到光栅反射镜的一侧；II1-V半导体层，包括有源层，其设置在所述两个低折射率层中的一个上；以及上反射镜，覆盖II1-V半导体层。光栅反射镜包括布置成阵列的多个硅柱。
[0019]根据本发明的另一方面，一种用于PIC的混合垂直腔激光器包括:光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间；光波导，沿第一方向光耦合到光栅反射镜的一侧；II1-V半导体层，包括有源层，其设置在两个低折射率层中的一个上；以及上反射镜，覆盖II1-V半导体层。光栅反射镜包括形成在两个低折射率层之间的硅层中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多个柱状的低折射率材料部分。多个低折射率材料部分在第一方向上具有相同的间距，并且具有比硅的折射率低的折射率，且在第一方向上具有至少两个宽度。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]通过结合附图对实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明显且更易于理解，在附图中:
[0021]图1是根据本发明实施方式的用于光子集成电路(PIC)的混合垂直腔激光器的示意性截面图；
[0022]图2是在图1的混合垂直腔激光器中的低折射率材料层和光波导的示意性平面图；
[0023]图3是模拟图1的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的反射率的曲线图；
[0024]图4是模拟图1的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的耦合效率的曲线图；
[0025]图5是根据图2的修改实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的一部分的示意性平面图；
[0026]图6是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的一部分的示意性平面图；
[0027]图7是模拟图6的光栅反射镜的反射率的曲线图；
[0028]图8是模拟图6的光栅反射镜的耦合效率的曲线图；[0029]图9是根据图6的修改实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的一部分的示意性平面图；
[0030]图10是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜的一部分的示意性平面图；
[0031]图11是模拟图10的光栅反射镜的反射率和耦合效率的曲线图；以及
[0032]图12是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0033]现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。在附图中，为了清晰，可以夸大层和区域的尺寸和厚度。在这点上，本实施方式可以具有不同的形式并且不应被理解为限于在此阐述的描述。将理解，当元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居间元件。因此，以下通过参照附图仅描述了实施方式来说明本描述的多个方面。
[0034]图1是根据本发明实施方式的用于光子集成电路(PIC)的混合垂直腔激光器100的示意性截面图，图2是用于PIC的混合垂直腔激光器100中的光栅反射镜和光波导的示意性平面图。
[0035]参照图1和图2，用于PIC的混合垂直腔激光器100包括:III_V半导体层150，为共振层；上反射镜160和光栅反射镜120，分别设置在II1-V半导体层150之上和之下；以及光波导130,设置在光栅反射镜120的一侧。
[0036]光波导130通过蚀刻娃层114形成,设置在光栅反射镜120 —侧且光稱合到光栅反射镜120的该侧,光栅反射镜120通过蚀刻同一娃层114形成。随后将描述的光栅反射镜120和上反射镜160 —起用作反射层，该反射层使在光栅反射镜120和上反射镜160之间产生的激光束垂直共振。
[0037]低折射率(“低η”)层112设置在光栅反射镜120和光波导130下面，且具有比硅的折射率低的折射率。低反射率层112可以是硅氧化物(SiO2)层。备选地，低反射率层112可以由错氧化物(ZrO2)、钛氧化物(TiO2)、镁氧化物(MgO)、铯氧化物(CeO2)、招氧化物(Α1203)、铪氧化物、铌氧化物(NbO)或硅氮化物(Si3N4)形成。低反射率层112在下文被称为第一绝缘层112。
[0038]基板110设置在第一绝缘层112下面，且可以由硅形成。
[0039]根据本实施方式，可以使用氧化物上硅(SOI)基板102，该SOI基板102由硅基板110、硅氧化物的第一绝缘层112以及覆盖第一绝缘层112的硅层114构成。第一绝缘层112可以具有大于约IOOOnm的厚度。
[0040]其它光学部件与混合垂直腔激光器100 —起集成到SOI基板102上，从而形成PIC。
[0041]低折射率(“低η”)层140设置在光栅反射镜120上并具有比硅的折射率低的折射率。低η层140可以形成为覆盖整个光栅反射镜120以及一部分光波导130。具有低折射率的低η层140用于增加光栅反射镜120的反射率并且促进在光栅反射镜120和光波导130之间耦合的光沿光波导130的传播。低折射率层140可以是硅氧化物(SiO2)层。备选地，低折射率层140可以由错氧化物(Zr02)、钛氧化物(Ti02)、镁氧化物(MgO)、铯氧化物(Ce02)、铝氧化物(A1203)、铪氧化物、铌氧化物(NbO)或硅氮化物(Si3N4)形成。低η层140可以被称为第二绝缘层。
[0042]II1-V半导体层150设置在第二绝缘层140上，并包括顺序地形成在第二绝缘层140上的η型II1-V半导体层151、有源层152和ρ型II1-V半导体层153。II1-V半导体层150可以由磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)形成。
[0043]ρ型II1-V半导体层153可以包括具有孔156的电流阻挡层155，其中光穿过孔156。电流阻挡层155可以通过在与电流阻挡层155相应的预定区域中的质子注入、或铝(Al)的热氧化形成。
[0044]上反射镜160设置在ρ型II1-V半导体层153上，并且朝向下面的光栅反射镜120反射有源层152中产生的光,使得光在上反射镜160和光栅反射镜120之间共振。上反射镜160可以具有在期望的共振波长λ具有最大反射率的分布式布喇格反射器(DBR)结构。上反射镜160由具有不同折射率的两种材料的交替层的叠层形成，其中交替层具有期望共振波长λ的大约四分之一的厚度卿，λ/4)。例如，DBR结构可以由AlxGa(1_x)As和AlyGa(1_y)As (0<x，y< 1，且X古y)的多个交替的四分之一波长(λ/4)厚的层组成。虽然上反射镜160具有DBR结构，但是它不限于此。例如，上反射镜160可以具有与光栅反射镜120相同的结构。
[0045]上反射镜160和II1-V半导体层150可以用预定的杂质掺杂，从而允许电流注入。
[0046]用于注入电流的电极，也就是ρ型电极171安装在上反射镜160上从而覆盖上反射镜160的上表面。ρ型电极171可以由高反射的金属诸如Al形成。
[0047]η型II1-V半导体层151具有被有源层152暴露的边缘，η型电极172设置在η型II1-V半导体层151的该边缘上。
[0048]一种制造用于PIC的混合垂直腔激光器100的方法包括:形成包括光栅反射镜120的SOI基板102、形成包括II1-V半导体层150的上结构、形成其中第二绝缘层140设置在上结构的η型II1-V半导体层151上的第一结构、以及将第一结构接合到SOI基板102上。
[0049]当电流通过ρ型电极171和η型电极172注入到II1-V半导体层150中时，电子和空穴在有源层152中复合，允许激光束产生。由于电子-空穴复合而从有源层152发出的光的强度随着光在上反射镜160和光栅反射镜120之间往复而增加。当光的强度达到给定强度时，激光从具有比上反射镜160的反射率低的反射率的光栅反射镜120发出。在一些光沿水平方向通过光波导130传播到其他光学元件(未示出)时，大部分激光被反射到外部。
[0050]光栅反射镜120包括多个具有比硅的折射率低的折射率的多个柱状低η材料部分121和122。多个低η材料部分121和122彼此平行地布置。光栅反射镜120也被称为高折射率对比光栅(high index contrast grating, HCG)0换言之,光栅反射镜120在低n材料部分121和122与硅层124之间具有大的折射率差。低η材料部分121和122可以通过蚀刻SOI基板102的上硅层114形成。低η材料部分121和122可以是空气层，或者可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料诸如硅氧化物填充。
[0051]低η材料部分121和122分别具有第一宽度Wl和第二宽度W2。低η材料部分121和122之间的硅层124具有恒定的宽度W。第二宽度W2比第一宽度Wl大大约IOnm至大约50nm。该宽度差可以根据激光束的波长以及第一和第二宽度Wl和W2被适当地调整。低η材料部分121和122如图2所示交替地布置。具有第二宽度W2的低η材料部分122用于增加激光束的衍射量，从而增强与光波导130的光耦合效率。
[0052]图3是模拟用于PIC的混合垂直腔激光器100中的光栅反射镜120的反射率的曲线图。光栅反射镜120被优化设计为横磁模式(transverse magnetic mode)。在该模拟中使用的第一和第二绝缘层112和140是硅氧化物层，低η材料部分121和122是空气层。II1-V半导体层150由InP形成。第一和第二绝缘层112和140分别具有IOOOnm和200nm的高度。低η材料部分121和122具有350nm的高度。低η材料部分121和122的第一和第二宽度Wl和W2分别是170nm和190nm。设置在低η材料部分121和122之间的硅层124的宽度W被调整为340nm、350nm和360nm。
[0053]参照图3，光栅反射镜120可以被设计为在用于光通信的1300nm波长处实现大于99.8%的高反射率。
[0054]图4是模拟根据本实施方式的光栅反射镜120的耦合效率的曲线图。低η材料部分121和122的第一和第二宽度Wl和W2分别是170nm和190nm，硅层124的宽度W是350nm。其它条件与参照图3描述的相同。图4还示出了常规光栅反射镜的耦合效率的模拟结果。在常规光栅反射镜的模拟中，设置在低η材料部分之间的硅层具有355nm的宽度，低η材料部分具有ISOnm的宽度。其它条件或尺寸与参照图3描述的相同。
[0055]参照图4，曲线Gl和G2分别表示光栅反射镜120对于一级衍射的反射率以及其对于二级衍射的反射率。曲线G3和G4分别示出常规光栅反射镜对于一级衍射的反射率以及其对于二级衍射的反射率。
[0056]如从图4明显的，对于二级衍射的反射率比对于一级衍射的反射率对光耦合效率贡献更多。参照图4，如由曲线G4所示的，常规的光栅反射镜的光耦合效率由于其对于二级衍射的极低反射率而非常低。相反地，根据本实施方式的光栅反射镜120的光耦合效率由于其对于二级衍射的高反射率而增加得超过常规光栅反射镜，如由曲线G2所示。低η材料部分122用于增加激光束的衍射量，从而增强与光波导130的光耦合效率。
[0057]因而，根据本实施方式的用于PIC的包括光栅反射镜120的混合垂直腔激光器100提供与光波导130的改善的光耦合效率以及对于光学互连的降低的功耗。
[0058]图5是根据图2的修改实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜220的一部分的示意性平面图。因为除了光栅反射镜之外的剩余结构基本上与混合垂直腔激光器100的结构相同，所以这里将省略其详细说明。
[0059]参照图5，多个低η材料部分221和222以恒定的间距Pl布置。多个低η材料部分221和222包括具有第一宽度Wl的低η材料部分221以及具有第二宽度W2的低η材料部分222。第二宽度W2比第一宽度Wl大大约IOnm至大约50nm。
[0060]第一宽度Wl的低η材料部分221与第二宽度W2的低η材料部分222交替地布置。硅层224设置在低η材料部分221和222之间。低η材料部分221和222用具有比硅的折射率低的折射率的材料诸如空气或硅氧化物填充。后面将假定低η材料部分221和222为空气层。
[0061]设置在第一宽度Wl的低η材料部分221与第二宽度W2的低η材料部分222之间的硅层224具有第三宽度W3，而在第二宽度W2的低η材料部分222与第一宽度Wl的低η材料部分221之间的硅层224具有第四宽度W4。第三宽度W3比第四宽度W4大两个相邻的低η材料部分221和222之间的宽度差(W1-W2)。
[0062]第三宽度W3和第四宽度W4之间的宽度差可以为约IOnm至约50nm。因而,低η材料部分221和222之间的间距Pl保持不变。
[0063]光栅反射镜220的操作可以从光栅反射镜120的操作知道，因此省略了光栅反射镜220的操作。
[0064]图6是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜320的一部分的示意性平面图。相同的附图标记表示如图1所示的相同元件，这里将省略其详细说明。
[0065]参照图6，光栅反射镜320包括彼此平行布置的多个低η材料部分321和322。低η材料部分321和322可以通过蚀刻SOI基板(图1中的102)的上硅层(图1中的114)而形成。低η材料部分321和322可以是空气层，或者可以用硅氧化物填充。低η材料部分321和322在下文也被假设为空气层。
[0066]多个低η材料部分321和322包括具有第一宽度Wl的低η材料部分321以及具有第二宽度W2的低η材料部分322。第二宽度W2比第一宽度Wl大大约IOnm至大约50nm。低η材料部分321和322之间以及两个低η材料部分321之间的硅层324的宽度与宽度W相同。对于每两个具有第一宽度Wl的低η材料部分321，提供一个具有第二宽度W2的低η材料部分322。具有第二宽度W2的低η材料部分(或空气层)322用于增加激光束的衍射量，从而增强与光波导330的光耦合效率。
[0067]尽管图6示出对于每两个具有第一宽度Wl的空气层321提供一个具有第二宽度W2的空气层322，但是本发明不限于此。例如，光栅反射镜320可以包括多个空气层321和322，对于每N个具有第一宽度Wl的空气层321提供小于N数量的具有第二宽度W2的空气层322 (N是大于或等于3的整数)。
[0068]图7是模拟图6的光栅反射镜320的反射率的曲线图。光栅反射镜320优选地设计为横磁模式。在该模拟中使用的第一和第二绝缘层(图1中的112和140)是硅氧化物层，低η材料部分321和322是空气层。II1-V半导体层I (图1中的150)由InP形成。第一绝缘层120、低η材料部分322和第二绝缘层140分别具有1000nm、350nm和200nm的高度。低η材料部分(空气层)321和和322的第一和第二宽度Wl和W2分别是170nm和190nm。设置在低η材料部分321和322之间的硅层324的宽度W被分别调整为340nm、350nm和360nmo
[0069]参照图7，根据本实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜320可以被设计为在用于光通信的1300nm波长处实现大于99.8%的高反射率。
[0070]图8是模拟根据本实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜320的耦合效率的曲线图。低η材料部分321和322之间的硅层324的宽度W、第一宽度Wl和第二宽度W2分别被调整为350nm、170nm和190nm。其它条件与参照图7的模拟中使用的那些相同。图8还示出了常规光栅反射镜的耦合效率的模拟结果。在常规光栅反射镜的模拟中，设置在低η材料部分(空气层)之间的硅层具有355nm的宽度，并且低η材料部分具有ISOnm的宽度。其它条件或尺寸与参照图7描述的相同。[0071]参照图8，曲线Gl和G2分别表示光栅反射镜320对于一级衍射的反射率以及其对于二级衍射的反射率。曲线G3和G4分别示出常规光栅反射镜对于一级衍射的反射率以及其对于二级衍射的反射率。
[0072]如从图8而显然的,对于二级衍射的反射率比对于一级衍射的反射率对光耦合效率贡献更多。参照图8，如由曲线G4所示的，常规的光栅反射镜的光耦合效率由于其对于二级衍射的极低反射率而非常低。相反地，根据本实施方式的光栅反射镜320的光耦合效率由于其对于二级衍射的高反射率而增加得超过常规光栅反射镜，如由曲线G2所示。具有第二宽度W2的低η材料部分322用于增加激光束的衍射量，从而增强与光波导330的光耦合效率。
[0073]因而，根据本实施方式的用于PIC的包括光栅反射镜320的混合垂直腔激光器100提供与光波导330的改善的光耦合效率以及对于光学互连的降低的功耗。
[0074]图9是根据图6中的结构的修改实施方式的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜420的一部分的示意性平面图。
[0075]参照图9，光栅反射镜420的多个低η材料部分421和422以恒定的间距P布置。多个低η材料部分421和423包括具有第一宽度Wl的低η材料部分421以及具有第二宽度W2的低η材料部分422。第二宽度W2比第一宽度Wl大大约IOnm至大约50nm。
[0076]对于每两个具有第一宽度Wl的低η材料部分421，提供一个具有第二宽度W2的低η材料部分422。低η材料部分421和422可以是空气层，或可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料诸如硅氧化物填充。低η材料部分421和422在后面被假定为空气层。
[0077]在具有第一宽度Wl的低η材料部分421右侧的硅层424具有第三宽度W3，而在具有第二宽度W2的低η材料部分422的右侧的硅层424具有第四宽度W4。第三宽度W3比第四宽度W4大第一和第二宽度Wl和W2之间的宽度差(W1-W2)。该宽度差可以为约IOnm至50nmo
[0078]光栅反射镜420的操作实质上与光栅反射镜320的操作相同，省略了光栅反射镜420的操作。
[0079]对于另一示例，对于每N个具有第一宽度Wl的层421，可以布置小于N个的具有第二宽度W2的低η材料部分422 (N是大于等于3的整数)。这里将省略其详细描述。
[0080]图10是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的一部分光栅反射镜520的示意性平面图。相同的附图标记表示图1所示的相同元件，这里将省略其详细描述。
[0081]参照图10，光栅反射镜520包括彼此平行布置从而形成阵列的多个硅柱522。硅柱522可以通过蚀刻SOI基板(图1中的102)的上硅层(图1中的114)而形成。硅柱522之间的空间可以用空气层填充，或者可以用具有比硅的折射率低的折射率的材料(诸如硅氧化物)填充。硅柱522之间的横向宽度Wl可以为约210nm，而硅柱522之间的纵向宽度W2可以为约lOOnm。
[0082]硅柱522可以在X和Y两个方向上彼此平行地布置且彼此间隔开预定距离。
[0083]图11是模拟图10的光栅反射镜520的反射率和耦合效率的曲线图。光栅反射镜520被优化设计为横磁模式。在该模拟中使用的第一和第二绝缘层(图1中的112和140)是硅氧化物层，并且低η材料部分524是空气层。II1-V半导体层I (图1中的150)由InP形成。第一绝缘层(图1中的120)、低η材料部分524和第二绝缘层140分别具有lOOOnm、355nm和200nm的高度。硅柱522之间的横向宽度(图10中的Wl)和纵向宽度(图10中的W2)分别为约210nm和lOOnm。每个硅柱522的宽度和长度可以分别为约300nm和1200nm。
[0084]参照图11，根据本实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器中的光栅反射镜520可以被设计为在用于光通信的1300nm波长处实现大于99%的反射率。
[0085]如从图11明显的，耦合效率在1300nm波长处为约10dB，这意味着大量光被衍射用于率禹合。
[0086]图12是根据本发明另一实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器600的示意性截面图。相同的附图标记表示如图1所示的相同元件，这里将省略其详细说明。
[0087]参照图12，第三绝缘层642设置在光栅反射镜120的硅层124上并且可具有光栅反射镜120的形状。例如，在SOI基板120上形成绝缘层之后，绝缘层和硅层114可以被一起蚀刻以形成光栅反射镜120和第三绝缘层642。所得的结构在下文被称为第一结构。
[0088]第三绝缘层642可以由具有约300nm至约350nm的高度的娃氧化物形成。
[0089]接着形成包括半导体层150以及半导体150上的叠层的上结构，第四绝缘层640设置在η型II1-V半导体层151上，其中第四绝缘层640具有约20nm至50nm的高度并也可以由硅氧化物形成。所得的结构被称为第二结构。
[0090]包括光栅反射镜120的第一结构被接合到第二结构上使得第四绝缘层640覆盖第三绝缘层642,从而完成用于PIC的混合垂直腔激光器600。
[0091]在光栅反射镜120上的第三和第四绝缘层642和640的结构也可以应用到图5、图
6、图9和图10所示的结构，这里将省略其详细说明。
[0092]如上所述，根据本发明实施方式的用于PIC的混合垂直腔激光器，增加了被硅光栅反射镜二级衍射的激光束的量并改善了到设置在光栅反射镜一侧的硅光波导中的光耦合效率。因而，减小了用于光学互连的功耗。
[0093]虽然已经具体示出和描述了示例实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解的是，可以在其中进行形式和细节上的各种变化。本发明的范围不是由本发明的具体描述限定而是由权利要求书限定，在权利要求及其等同物的范围内的所有差异将被理解为被包括在本发明中。
[0094]本申请要求于2012年10月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2012-0112655的权益，其公开内容通过引用整体结合于此。
【权利要求】
1.一种用于光子集成电路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间； 光波导，沿第一方向光耦合到所述光栅反射镜的一侧； 包括有源层的II1-V半导体层，设置在所述两个低折射率层中的一个上；以及 上反射镜，覆盖所述II1-V半导体层， 其中所述光栅反射镜包括形成在所述两个低折射率层之间的硅层中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多个柱状的低折射率材料部分，以及 所述多个低折射率材料部分具有比硅的折射率低的折射率，且在所述第一方向上具有至少两个宽度。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述低折射率材料部分是空气层。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中所述至少两个宽度包括第一宽度和第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度大IOnm至50nm。
4.根据权利要求3所述的激光器，其中具有所述第一宽度的低折射率材料部分与具有所述第二宽度的低折射率材料部分交替地布置。
5.根据权利要求3所述的激光器，其中对于至少每两个具有所述第一宽度的低折射率材料部分，提供一个具有所述第二宽度的低折射率材料部分。
6.根据权利要求3所述的激光器，其中对于每N个具有所述第一宽度的低折射率材料部分，提供小于N个的具有所述第二宽度的低折射率材料部分，其中N是大于或等于3的整数。
7.根据权利要求3所述的激光器，其中所述第一宽度为IOOnm至200nm。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中所述光栅反射镜和所述光波导形成在氧化物上娃基板的上娃层中。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中所述多个低折射率材料部分之间的所述硅层具有恒定的宽度。
10.根据权利要求1所述的激光器，还包括第三低折射率层，该第三低折射率层具有比硅的折射率低的折射率，设置在所述光栅反射镜与在所述II1-V半导体层下面的所述低折射率层之间并具有与所述光栅反射镜的所述硅层相同的形状，以及 其中所述低折射率材料部分具有由所述硅层、所述第三低折射率层和所述两个低折射率层围绕的柱形。
11.一种用于光子集成电路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间； 光波导，沿第一方向光耦合到所述光栅反射镜的一侧； 包括有源层的II1-V半导体层，设置在所述两个低折射率层中的一个上；以及 上反射镜，覆盖所述II1-V半导体层， 其中所述光栅反射镜包括布置成阵列的多个硅柱。
12.根据权利要求11所述的激光器，其中所述多个硅柱的每个沿与所述第一方向垂直的第二方向伸长。
13.根据权利要求11所述的激光器，其中所述光栅反射镜和所述光波导形成在氧化物上硅基板的上硅层中。
14.根据权利要求11所述的激光器，还包括第三低折射率层，该第三低折射率层具有比硅的折射率低的折射率，设置在所述光栅反射镜的所述多个硅柱与在所述II1-V半导体层下面的所述低折射率层之间，并具有与所述硅柱相同的形状。
15.一种用于光子集成电路的混合垂直腔激光器，所述激光器包括: 光栅反射镜，在具有比硅的折射率低的折射率的两个低折射率层之间； 光波导，沿第一方向光耦合到所述光栅反射镜的一侧； 包括有源层的πι-v半导体层，设置在所述两个低折射率层中的一个上；以及 上反射镜，覆盖所述πι-v半导体层， 其中所述光栅反射镜包括形成在所述两个低折射率层之间的硅层中且沿垂直于所述第一方向的第二方向彼此平行地布置的多个柱状的低折射率材料部分， 所述多个低折射率材料部分在所述第一方向上具有相同的间距，并且具有比硅的折射率低的折射率，且在所述第一方向上具有至少两个宽度。
16.根据权利要求15所述的激光器，其中所述多个低折射率材料部分的每个是空气层。
17.根据权利要求15所述的激光器，其中所述至少两个宽度包括第一宽度和第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度长IOnm至50nm。
18.根据权利要求17所述的激光器，其中具有所述第一宽度的低折射率材料部分与具有所述第二宽度的低折射率材`料部分交替地布置。
19.根据权利要求17所述的激光器，其中对于至少每两个具有所述第一宽度的低折射率材料部分，提供一个具有所述第二宽度的低折射率材料部分。
20.根据权利要求17所述的激光器，其中对于每N个具有所述第一宽度的低折射率材料部分，提供小于N个的具有所述第二宽度的低折射率材料部分，其中N是大于或等于3的整数。
21.根据权利要求17所述的激光器，其中所述第一宽度为IOOnm至200nm。
22.根据权利要求15所述的激光器，其中所述光栅反射镜和所述光波导形成在氧化物上硅基板的上硅层中。
23.根据权利要求15所述的激光器，还包括第三低折射率层，该第三低折射率层具有比硅的折射率低的折射率，设置在所述光栅反射镜与在所述II1-V半导体层下面的所述低折射率层之间并具有与所述光栅反射镜的所述硅层相同的形状，以及 其中所述低折射率材料部分具有由所述硅层、所述第三低折射率层和所述两个低折射率层围绕的柱形。
【文档编号】H01S5/183GK103730832SQ201310240274
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2012年10月10日
【发明者】金泽, I.施彻巴特科 申请人:三星电子株式会社