[发明专利]混合垂直腔激光器

说明书

发明领域

本发明涉及提供光至与成熟硅加工技术相容的硅平台(silicon platform)上的光子回路(Photonic Circuit)。尤其，本发明涉及通过使用光栅镜(Grating-Mirror)垂直腔激光器(Vertical-Cavity Laser)提供光至此种回路。

背景技术

在硅基光子回路中集成微小且高效电泵浦(electrically pumped)光源的挑战是熟知的。

Gunn(Photonics Spectra，2006年3月，第62-67页)描述了这种挑战并提出一种解决方案，其中光由非集成的外部激光源提供。经一条光纤，将光引导至集成的全息透镜并且因而与一集成的波导耦合。这种方法具有需要繁琐校准和后续封装的缺点。

Fang等人(Optics Express，14，第9203页(2006))描述了边发射电泵浦AlGaInAs-硅迅衰激光器(evanescent laser)架构。该架构是与绝缘体(SOI)衬底上的硅键合的晶片以及完全被下方SOI衬底中的硅波导所限定的激光腔。尽管基于边发射激光器的解决方案提供与光子回路的容易的耦合，但是它们具有相对高的电力消耗和非本征(non-intrinsic)单模(single mode)控制的缺点。

因此，在硅平台上集成光源的改良方式将是有利的，并且尤其，提供光至光子回路的更高效和/或更可靠方式将是有利的。

发明内容

本发明的一个目的是提供现有技术的一种替代方案。

尤其，可以将以下视为本发明的目的：提供解决现有技术中上文所提及问题的方法和混合垂直腔激光器(混合VCL)结构以提供光至光回路。

因而，上述目的以及其他几个目的意图在本发明的第一方面通过使用硅平台中的底部光栅镜在硅平台上制作多种混合VCL结构来实现，所述方法包括：

提供包括由III-V材料形成的活性区和高度反射性顶部镜的分层结构；

在硅层中形成光栅区，所述硅层被折射率比该硅层低的层支持，该光栅区包含由硅层部分形成的一维(1D)或二维(2D)周期性折射率光栅和在该硅层中形成的并且具有比该硅层低的折射率的区域；

在所述硅层中形成波导，所述波导被设置成促进来自光栅区的光横向输出耦合于该波导，这可以通过在光栅区内部和/或与光栅区连接(如邻接)形成来获得；并且

在光栅区上设置所述分层结构，包括在所述分层结构与所述光栅区之间提供折射率比所述硅层的折射率低的层，从而周期性折射率光栅构成底部光栅镜以使得在所述顶部镜和所述光栅区之间形成VCL腔。该波导优选地相对于VCL腔为横向取向并且作为VCL的输出耦合波导发挥作用。

下文中，将描述众多的其他方面、优选和/或任选的特征、要素、实例和实施。根据需要，相对于一个实施方式或方面所描述的特征或要素可以与其他实施方式或方面组合或适用于它们。例如，就混合VCL结构而言适用的结构性和功能性特征也可以通过适宜调整作为就用于混合VCL结构的方法而言的特征使用，并且反之亦然。另外，对本发明人所实现的本发明的潜在机制的解释用于解释性目的，并且它们不应当在用于推断本发明的事后分析中使用。

包括高度反射性顶部镜、活性区和底部光栅镜的结构既称作“光栅镜垂直腔激光器(GMVCL)结构”，又称作具有底部光栅镜或使用底部光栅镜所形成的VCL结构。在本描述的意思范围内，这些术语具有相同的意思。另外，包括高度反射性顶部镜和活性区，但无底部光栅镜的分层结构称作“部分VCL结构”或根据上下文，简单地称作“分层结构”。

混合VCL结构横向地发射光至面内(in-plane)波导，同时垂直腔表面发射的激光(VCSEL)从镜表面垂直地发射至空气。因此，混合VCL是这样的结构，其包含具有高度反射性从而不作为输出耦合器发挥作用的顶部镜，以III-V材料形成的活性区和形成高度反射性底部光栅镜以产生带顶部镜的VCL腔的硅基光栅区，以及用于从VCL腔发射光至硅衬底中外部光子回路的横向取向的波导。