[发明专利]损耗调制式硅倏逝波激光器

说明书

关于联邦资助研究或研发的声明

本发明由政府支持(DARPA(美国国防先进研究项目局)授予批准号482530-25615)进行。政府对本发明持有一定权利。

相关申请的交叉参考

本申请根据《美国法典》第35部第119(e)部分要求如下共同待决且普遍指定申请的优先权：John E.Bowers和Daoxin Dai于2010年6月30日提交的的标题为“LOSS MODULATED SILICON EVANESCENT LASERS”的第12/827,776号美国实用新型专利申请，该申请的代理案卷编号为30794.382-US-01，其全部内容通过引用并入本文。

发明背景

1.技术领域

本发明概括地涉及半导体器件，具体地，涉及损耗调制式硅倏逝波激光器(loss modulated silicon evanescent lasers)。

2.背景技术

已经发现半导体芯片级键合器件(semiconductor chip level bonded devices)在一些客户和商业应用中的用途。通常，半导体器件是由单一类型的材料制成，或者不同类型的材料生长于基于晶格匹配和可兼容晶体结构的衬底上。囚此，由元素周期表中III族和V族元素的半导体材料(III-V族材料)制成的器件通常生长在砷化镓或其它复合半导体衬底上，而硅器件则在硅衬底上生长或制备。由于硅与III-V族材料之间的晶格失配以及不兼容的晶体结构，使得基于III-V族材料的器件难以与制备于硅上的电子器件集成在一起。

光发射器是所有光通信系统中最重要的组件之一。通常，光发射器由周期表中III族和V族元素的半导体材料(III-V族材料)，例如，砷化镓(GaAs)制备而成。通常使用这些材料是囚为硅(Si，其通常用于电子通信系统)具有致使硅成为不良光子(光)发射器的间接能带隙，使得硅在光发射应用中表现不够好。硅的间接能带隙和由此导致的不良光发射限制了电泵浦Si基激光器的实现，所述Si基激光器属于光发射器和Si基光通信系统中的关键要素之一。

硅是首选的半导体材料，囚为硅易于通过各种方式进行加工，易于以合理成本高品质地得到，并且易于用硅获得用于通信系统的复杂的配套电子电路。近年来，由于硅在低成本光电方案中的潜力，已经对硅光子器件(例如，发出光子的硅器件)进行了广泛的研究。由于硅光子器件在制备方面，尤其在互补金属氧化半导体(CMOS)工艺方面，与硅基电子器件兼容，囚此其对于设备成本的降低超过了III-V族材料。

最近，已经证明结合了III-V族有源区域及硅光波导的混合结构可作为用于电泵浦Si基激光器的解决方案。这种器件具有诸多理想特性，包括在温度高达105℃下的连续波激光输出(发射激光)、高达30W的连续波输出功率以及40Gbit/s的锁模(mode locking)。这种混合了III-V族元素与硅的“倏逝”(“evanescent”)结构包括与绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)晶圆相键合的III-V族元素量子阱区域，且光波导由Si层上的沟槽限定。通过这种方式，混合结构的运行类似倒脊型波导(inverse ridge waveguide)。这种器件之所以称为“倏逝”是由于，随着器件的光学模(optical mode)跨越III-V族元素/硅边界，在键合之后器件内的III-V族元素结构与硅结构之间的过渡趋于消失。

虽然目前能够实现这种激光器，但对于要依托该器件来实现的光发射器而言，还期望对光信号的高速调制。对于这个问题，简便方法是直接调制注入的泵浦电流(pump current)，但是随着注入电流的增加，消光比(extinction ratio)减小，囚此限制了能够施加的注入电流量。此外，直接调制在速度上通常受限为小于10GHz，并且由于直接调制引起的波长“啁啾(chirp)”，限制了直接调制信号的传输距离。电流的直接调制还改变了激光器增益(其导致激光器的光输出改变)，在通信系统中上述这些都不是理想的器件特性。

还对外部调制器进行评估，以确定调制速率和传输距离的扩展。现已证明，归属于大(毫米尺寸)设备的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)调制器通过增加波导中的载流子耗尽从而增加调制速率和传输距离，所述波导引入了快速折射率调制。然而，由于这种调制器相对较大的尺寸，其难于与硅和/或混合器件集成在一起。