改善性能的异质激光器和有源部件的制作方法

本发明涉及半导体激光器、放大器、调制器和光电探测器。更具体地，本发明的某些实施例涉及使用光学耦合的异种材料的异质集成激光器、放大器、调制器和光电探测器的改善性能。

背景技术：

1、光子集成电路(pic)或集成光学电路是集成多种光子功能的设备，并且照此类似于电子集成电路。两者之间的主要区别是光子集成电路为施加在光载波上的信息信号提供功能。在商业上最常用于光子集成电路的材料平台是磷化铟(inp)，它允许在同一芯片上集成各种光学有源和无源功能。尽管许多当前的pic是在inp平台上实现的，但是在过去的十年中，在使用硅而不是inp来实现pic方面已经进行了大量的研究，这是由于硅材料的一些优越的特性以及优越的加工能力，这充分利用了已经对电子集成电路进行的投资。

2、将硅用于pic的最大缺点是，硅是一种间接带隙材料，这使得很难提供电泵浦光源(electrically pumped optical source)。这个问题通常通过在单独的过程中组装包括由异种材料制成的两个或更多个芯片的pic来解决。这种方法具有挑战性，因为需要非常精细的对齐，这增加了封装成本并引入了微缩限制。解决带隙问题的另一种方法是键合两种异种材料并将它们加工在一起，从而消除在异种材料的较大块或完整晶片的键合期间对精确对齐的需要，并允许大规模制造。在本公开中，我们使用术语“混合”来描述包括单独加工的零件的精确组装的第一种方法，并且我们使用术语“异质”来描述键合两种材料并且然后加工键合的结构以限定波导和其它感兴趣的部件的后一种方法。

3、为了在异种材料之间传输光信号，异质方法利用锥形，该锥形的尺寸逐渐改变，直到异种材料的有效模折射率匹配，并且存在高效的功率传输。当材料具有相似的折射率时(就像硅和inp的情况那样)，这种方法通常是有效的。在有效折射率存在较大差异(诸如在sin和gaas之间)的情况下，对锥形尖端尺寸的要求变得难以接受，限制了高效的功率传输。具体地，极小的锥形尖端宽度(纳米量级)可能是提供良好耦合所必需的。实现这样的尺寸是复杂的，并且可能不是有成本效益的。

4、虽然inp和硅基pic解决了许多当前的需求，但是它们具有一些局限性，其中有如下事实：操作波长范围受到材料吸收增加损耗的限制，从而增加了损耗；并且最大光强度和因此pic能够处理的光功率是有限的。为了克服这些局限性，已经考虑备选波导材料，诸如sin、tio2、ta2o5、aln或其它材料。一般来说，这种介质波导具有较高的带隙能，这在较短的波长下提供更好的高功率处理和透明度，但是通常这种材料也具有较低的折射率。例如，带隙为~5 ev的sin具有~2的折射率，aln具有~6 ev的带隙和约~2的折射率，并且带隙为~8.9ev的sio2具有~1.44的折射率。为了比较，inp和gaas两者的折射率都>3。这使得锥形方法具有挑战性。

5、备选的混合方法有上面已经提到的缺点，即需要精确的对齐，以及相应地复杂的封装和微缩限制。

6、在美国专利no.10,859,764 b2中提出了一种针对上面讨论的问题的最新方法，该方法采用与模转换器结合的对接耦合，以允许在不需要极小的锥形宽度的情况下使用异质过程。

技术实现思路

1、本发明针对以这种方式采用对接耦合的pic，并且该pic包括具有改善性能的诸如激光器、放大器、调制器和光电探测器的有源设备。特别地，下面描述的实施例涉及形成高性能激光器、放大器、调制器和光电探测器所必需的有源部件中的光耦合结构和模控制的详细设计。

技术特征：

1.一种设备，包括：

2.根据权利要求1所述的设备，

3.根据权利要求1所述的设备，

4.根据权利要求3所述的设备，还包括：

5.根据权利要求1所述的设备，

6.根据权利要求5所述的设备，

7.根据权利要求5所述的设备，

8.根据权利要求5所述的设备，

9.根据权利要求5所述的设备，

10.根据权利要求1所述的设备，

11.根据权利要求10所述的设备，

12.根据权利要求10所述的设备，

13.根据权利要求1所述的设备，

14.根据权利要求1所述的设备，

15.根据权利要求1所述的设备，

技术总结
一种设备包括制造在公共衬底上的第一、第二和第三元件。第一元件包括支撑第一光模的有源波导结构和模增益控制结构中的至少一个。第二元件包括支撑第二光模的无源波导结构。至少部分地对接耦合到第一元件的第三元件包括支撑中间光模的中间波导结构。如果第一光模与第二光模相差超过预定量，则在第二和第三元件中的至少一个中的渐缩波导结构促进第二光模与中间光模中的一个之间的高效绝热变换。在中间光模中的任一个和第一光模之间不发生绝热变换。使用光刻对齐标记来限定第一、第二和第三元件的相互对齐。

技术研发人员：T·科姆耶诺维奇,张冲,陈英明
受保护的技术使用者：联结光电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16