[发明专利]混合集成激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种混合集成激光器及其制备方法。

背景技术

光互连是指用光子代替电子作为信号载体实现信号传输和交换，具有高速率、大容量、低串扰、低延时、低功耗等优点，是解决信息系统能耗问题的关键技术之一，目前的一个关键问题就是如何实现电泵浦硅基激光，这已经成为实现片上光互连的瓶颈。该领域研究虽然取得很多重要的进展，例如拉曼激光器，在硅衬底上外延GeSi/Si，或者GaSb/GaAs激光器，稀土掺杂Si/SiO₂发光器件，微腔激光器，采用光子晶体纳米腔的方式等等，但是这些器件结构或者由于光泵浦的原因，或者因为寿命、效率等原因，无法真正应用于片上光互连。

美国加州大学伯克利分校J.Bowers教授于2005年提出了一种新型激光器结构——硅基混合激光器，它是指将III-V族半导体激光器与Si波导通过直接或者介质辅助键合的方式集成在一起的新型激光器，当III-V族激光器有源区与Si波导空间距离很近，在III-V族激光器中的激光通过倏逝波耦合的方式耦合进入Si波导中，因此可在波导中进行激光信号传输。这种混合激光器既利用了III-V族直接带隙材料的发光效率高的优势，又与硅基兼容，为硅基激光光源提供新的思路。但是这种混合激光器阈值高，效率低，造成系统功耗大，还有由于激光光源尺寸大，集成度低，无法做到真正的实用。

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有硅基混合激光器在面向实用化遇到的问题，提供一种混合集成激光器及其制备方法，以有效的实现功耗低、集成度高和实用化的激光光源。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合集成激光器，包括依次纵向层叠的衬底1、将光实现90度偏转功能的光耦合器2、键合层3和垂直腔面发射激光光源4。

进一步地，所述光耦合器2为光栅耦合器或高对比度光栅结构，实现垂直入射的光偏转90度的功能；其主要结构包括两个部分，一是光栅结构部分，二是波导结构部分，根据动量守恒定律，当光栅在水平方向的传播常数K₁等于波导结构的传播常数K₂时，垂直入射的光将发生90度偏转。

进一步地，所述光耦合器2采用硅、二氧化硅、SOI、InP、GaAs或玻璃材料制成。

进一步地，所述键合层3通过直接键合、媒质键合或倒装焊的方式产生。

进一步地，所述媒质采用BCB、ITO或PEDOT导电透光物质。

进一步地，所述垂直腔面发射激光光源4采用GaAs基、InP基、GaN基、ZnO基量子阱、量子线或量子点激光器。

进一步地，所述垂直腔面发射激光光源4为单模或多模器件，其激射波长λ需要与光耦合器2的波导结构的传播常数相匹配，即

同时，本发明还提供了一种混合集成激光器的制备方法，包括：

在SOI硅片的硅膜上制备出硅光栅耦合器；

利用外延生长的方法制备化合物半导体激光器结构；

在激光器结构上制备成单元器件或者阵列；

将单元器件或者阵列结构与光耦合器对准，并将半导体激光器直接或者间接键合在光耦合器上，将激光耦合到波导中，使得光从垂直方向实现水平方向传输，从而形成有源的激光光源与无源的光耦合器在纵向上集成的光源，用于片上光互连。

进一步地，所述制备方法采用的设备包括：MOCVD、MBE、ICP、电子束曝光机、光刻机、蒸发镀膜设备和显微镜。

综上，本发明提供了功耗低的光源：垂直腔面发射激光光源，与边发射激光器相比，由于有源区体积小，通常实现单模的有源区体积小于5微米，且效率高，因此功耗小，有利于降低整个片上光互连系统的功耗。其次，由于垂直腔面发射激光光源体积小，与现有半导体激光光源相比，可大大提高集成度，且垂直腔面发射激光光源易实现二维集成。还有，有源器件垂直激光光源与能够将光实现90度转折传输的无源耦合器件相集成，能够将激光信号直接耦合到波导中，从而实现光信号的水平传输和调制。

通过本发明所提供的混合集成激光光源可以作为有效的片上光互连光源，应用于硅基光电集成和光互连等众多领域，可以用于集成化生产。与现有片上光互连用激光光源相比，具有功耗低、集成度高的优点，且易于制备二维阵列。

附图说明

图1是本发明的混合集成激光器的结构示意图；

图2（a）-（e）是本发明的混合集成激光器的制备方法流程示意图。

具体实施方式