[发明专利]一种硅波导输出激光器

说明书

本发明公开了一种硅波导输出激光器，包括：III‑V族有源结构，用于生成所述激光器的光源，所述III‑V族有源结构包括：隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；N型衬底，设置于所述隧道结层上表面；P型层，设置于所述隧道结层下表面；量子阱有源层，设置于所述P型层下表面；N型层，设置于所述量子阱有源层下表面；以及，硅波导结构，设置于所述III‑V族有源结构之下，用于与所述III‑V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。

技术领域

本发明涉及光通信领域中的核心光源，尤其涉及一种硅光互连系统中的基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成硅波导输出激光器。

背景技术

近年来，光互连技术被认为是解决未来超级计算机、高性能计算中的访存带宽和计算速度问题的关键技术之一，而硅基光电集成被认为是实现高性能计算机超节点间、芯片间以及片上光互连最有潜力的技术途径。作为硅光互连系统的核心器件，硅基集成光源一直以来都是世界各国的研究热点，但是由于硅是间接带隙材料，光学增益比III-V族材料低几个数量级，所以难以直接利用硅制作高效率的激光光源。

目前，能够实现硅基集成光源的主流方案有三种：

其一是硅基外延激光器，在硅衬底异质外延生长III-V有源材料或锗材料，III-V材料产生的光通过倏逝波耦合到硅波导中进行输出，但是由于硅和III-V族增益材料之间存在较大的晶格失配，在硅衬底上生长高质量的III-V族材料变得十分困难；

其二是倒装焊端面耦合的硅基集成激光器，将制作好的III-V激光器通过倒装焊技术焊接到SOI(绝缘体上硅，Silicon on Insulators)波导上，III-V激光器发出的光通过端面耦合进入硅波导输出，该方案需要精确的对准，容差在亚微米量级，而且还要考虑端面的反射损耗，不适合制作多阵列激光器和批量生产；

其三是异质晶片键合倏逝波耦合硅基集成激光器，先将III-V材料键合到制作好的SOI波导上，然后去掉III-V衬底，在SOI波导上只留下几微米厚的III-V有源材料，最后进行激光器的制作。很显然，去掉衬底之后的III-V有源材料只有几个微米厚，不利于后续工艺的进行，而且有些键合方案需要衬底转移技术，增加了器件工艺复杂度和制作难度。

因此硅基集成光源一直都是硅光互连系统的瓶颈问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种基于隧道结的硅材料与III-V族混合集成的硅波导输出激光器，以至少部分解决现有方法中存在的器件工艺复杂度高和制作难度大的问题。

(二)技术方案

在本发明的一个方面，提供了一种硅波导输出激光器，包括：

III-V族有源结构，用于生成所述激光器的光源，包括：隧道结层，用于形成反向隧穿电流通道；N型衬底为以电子的迁移作为电流传导机制的半导体材料，厚度为100至200微米，设置于所述隧道结层上表面，用于为所述隧道结层提供反向隧穿电压；量子阱有源层，设置于所述隧道结层之下，用于产生光增益；P型层，设置于所述隧道结层与所述量子阱有源层之间，用于限制注入所述量子阱有源层的P型载流子，限制所述量子阱有源层所产生的光场分布，以及避免所述隧道结层对所述量子阱有源层光增益的损耗；N型层，设置于所述量子阱有源层下表面，用于限制注入所述量子阱有源层的N型载流子，以及限制所述量子阱有源层所产生的光场分布。

以及，硅波导结构，设置于所述III-V族有源结构之下，用于与所述III-V族有源结构共同形成光学谐振腔和激光输出波导。

其中，所述的III-V族有源结构和硅波导结构通过键合技术集成。