耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】耦合環(huán)諧振系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001] 光束或光信號(hào)可用于在長(zhǎng)距離（長(zhǎng)距離通信）和短距離的電子設(shè)備之間傳輸數(shù)字 數(shù)據(jù)，例如在數(shù)據(jù)中心之間（短距離通信）以及在相鄰的電路板之間，或甚至在單個(gè)電路板 上的各部件之間。因此，光學(xué)技術(shù)在現(xiàn)代電子學(xué)中扮演著非常重要的角色，且許多電子設(shè)備 可采用光學(xué)部件。這種光學(xué)部件的示例包括但不限于：諸如發(fā)光二極管和激光器的光學(xué)源 或光源、波導(dǎo)、光纖、透鏡和其他光學(xué)器件、光電探測(cè)器和其他光學(xué)傳感器、光敏半導(dǎo)體，等 等。
【附圖說明】
[0002] 為了本公開的示例的更完整理解，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，附圖中：
[0003] 圖1是依照一個(gè)示例的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；
[0004] 圖2A是依照一個(gè)示例的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的剖視圖；
[0005] 圖2B是圖2A的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的俯視圖；
[0006] 圖3A-3C說明了通過改變圖2A的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的環(huán)直徑而對(duì)自由光譜區(qū)（FSR) 的示例影響；以及
[0007] 圖4說明了通過調(diào)節(jié)圖2A的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的調(diào)制器有效折射率而對(duì)波長(zhǎng)調(diào)諧 的示例影響。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 如上所述，光束可用于各種目的，包括數(shù)據(jù)的傳輸。在許多情況下，使用傳導(dǎo)電信 號(hào)的金屬線進(jìn)行電子部件之間的互連。由于電子部件已變得更集成，因此電線變得更多、更 窄、且間隔更近。這引起電線中更高的電阻以及相鄰的電線之間更高的電容和電感。這種增 加的電阻和電容會(huì)減小穿過電線的電信號(hào)，降低集成電路芯片和計(jì)算設(shè)備作為一個(gè)整體的 性能。此外，電線的帶寬容量與電線的橫截面面積成正比。因此，由于電線變得越來越窄， 能夠通過電線傳輸信息的速率降低。
[0009] 這些問題的一個(gè)解決方案是使用光信號(hào)在電子部件之間傳遞信號(hào)。在光互連系統(tǒng) 中，來自集成電路（IC)芯片或電路部件的電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成由光源發(fā)射的光信號(hào)，光信號(hào)被 調(diào)制以表示數(shù)據(jù)。隨后，光穿過自由空間或通過波導(dǎo)到達(dá)探測(cè)器，探測(cè)器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn) 換回電數(shù)據(jù)信號(hào)。例如，光子IC(PIC)設(shè)備可集成多個(gè)光子函數(shù)，用于傳輸強(qiáng)加于光波長(zhǎng)上 的信息信號(hào)，其中光子學(xué)可指生成、發(fā)射、傳輸、調(diào)制、信號(hào)處理、切換、放大、以及探測(cè)/感 測(cè)光的科學(xué)。
[0010] 隨著穿越的距離增加，光互連可消耗比傳統(tǒng)電互連更少的功率。此外，光互連不受 電容或電阻限制，耗散比其對(duì)應(yīng)的電互連更少的功率，且具有傳輸更大量的數(shù)據(jù)的能力?？?經(jīng)由自由空間傳輸或通過波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)調(diào)制器與探測(cè)器之間的光互連。光纖是波導(dǎo)的一個(gè)示 例。
[0011] 傳統(tǒng)的光互連系統(tǒng)通常用諸如垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)的片外光源產(chǎn)生光。 在這樣的系統(tǒng)中，通常通過片上電路直接調(diào)制片外光源，以在光源發(fā)射的光束上疊加信息。 可使用腔或諧振器使得光可在例如兩個(gè)反射鏡之間循環(huán)，且在此腔內(nèi)，諸如激光晶體的增 益介質(zhì)可放大光。制作線性或駐波腔/諧振激光器，使得光能夠在雙端面反射鏡之間反彈， 且存在可彼此干涉以形成駐波模式的對(duì)傳波。
[0012] 依照本文公開的各種示例，提供耦合環(huán)諧振系統(tǒng)用于通過游標(biāo)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)環(huán) 形激光器。在這樣的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)中，一個(gè)環(huán)（例如，環(huán)形激光器）可用于提供光增益， 而另一個(gè)環(huán)（例如，環(huán)形調(diào)制器）可用于提供調(diào)制。環(huán)形激光器和環(huán)形調(diào)制器的耦合可引 起低功耗調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)諧。此外，可避免諧振波長(zhǎng)失配（在傳統(tǒng)的外部調(diào)制系統(tǒng)中的激光 器和調(diào)制器之間經(jīng)歷）。
[0013] 圖1說明了依照各種示例的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)。耦合環(huán)諧振系統(tǒng)100可 包括耦合環(huán)諧振部分102,耦合環(huán)諧振部分102可包括環(huán)形激光器104和環(huán)形調(diào)制器106。 環(huán)形激光器104和環(huán)形調(diào)制器106可通過光耦合108 "連接"，如將在下面更詳細(xì)的描述， 這可以是將環(huán)形激光器104和環(huán)形調(diào)制器106定位為足夠近以允許光信號(hào)的瞬逝耦合的結(jié) 果，從而導(dǎo)致單個(gè)諧振腔。相應(yīng)地，耦合環(huán)諧振部分102可經(jīng)由光耦合112光耦合至輸送從 耦合環(huán)諧振部分102輸入的光信號(hào)的輸出總線波導(dǎo)，其中，可通過從耦合環(huán)諧振部分102到 輸出總線波導(dǎo)110的光信號(hào)的瞬逝親合來實(shí)現(xiàn)光親合112。
[0014] 如本文所用的，術(shù)語"光能"可指具有例如通常在10納米和500微米之間的波長(zhǎng) 的輻射能。這樣定義的光能可包括但不限于：紫外光、可見光和紅外光。術(shù)語"光學(xué)源"可 指光能起源的設(shè)備。這樣定義的光學(xué)源的示例包括但不限于：發(fā)光二極管、激光器、燈泡以 及燈。在下面討論的各種示例中，光學(xué)源可為環(huán)形激光器。
[0015] 如本文所用的，術(shù)語"光腔"或"光諧振器"可指維持具有一定的諧振波長(zhǎng)或波長(zhǎng) 范圍的光能、并通過相消干涉抑制或衰減其他光能的結(jié)構(gòu)。
[0016] 如本文所用的，術(shù)語"光有源"可指通過生成能夠由電極收集的電荷來響應(yīng)光子或 光能的入射的材料。
[0017] 如本文所用的，術(shù)語"量子阱"可指由夾在寬帶隙材料的厚層之間的窄帶隙半導(dǎo)體 薄層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。通過示例且非限制的方式，量子阱可由夾在兩層硅之間的薄鍺層構(gòu)成，或 由夾在砷化錯(cuò)鎵（AlGaAs)之間的砷化鎵薄層構(gòu)成。術(shù)語"帶隙"可指給定材料的導(dǎo)帶能級(jí) 和價(jià)帶能級(jí)之間的差。因此，各種各樣的材料組合可用于構(gòu)造量子阱。應(yīng)進(jìn)一步注意到，活 性光學(xué)層可由多量子阱（MQW)層組成，或由利用不同材料的量子阱層的組合組成。
[0018] 如本文所用的，術(shù)語"電介質(zhì)"可廣泛地指提供電絕緣的材料。例如，二氧化硅 (SO2)可用作電介質(zhì)，但是，電介質(zhì)層可由不同的材料構(gòu)成。
[0019] 如本文所用的，術(shù)語"P型半導(dǎo)體"可指已對(duì)其添加雜質(zhì)受主材料使得電子空穴為 多數(shù)載流子而電子是少數(shù)載流子的任何半導(dǎo)體層。類似地，術(shù)語"η型半導(dǎo)體"可指已對(duì)其 添加雜質(zhì)電子施主材料使得電子為多數(shù)載流子而電子空穴為少數(shù)載流子的任何層。
[0020] 現(xiàn)在參照?qǐng)D2Α和2Β，依照一個(gè)示例的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)200被示出為具有耦合至 環(huán)形調(diào)制器220的環(huán)形激光器202,環(huán)形調(diào)制器220耦合至總線波導(dǎo)232。耦合環(huán)諧振系統(tǒng) 200可為圖1的耦合環(huán)諧振系統(tǒng)100的示例，且環(huán)形激光器202、環(huán)形調(diào)制器220以及總線 波導(dǎo)232可分別為圖1的環(huán)形激光器102、環(huán)形調(diào)制器106以及輸出總線波導(dǎo)110的示例。
[0021] 環(huán)形激光器202可為例如混合硅微環(huán)激光器。硅上光電集成可指用于在芯片上建 立光互連系統(tǒng)以及其他大規(guī)模光子系統(tǒng)的技術(shù)。集成光子系統(tǒng)通常使用較低成本且易集成 的電栗浦激光源。但是，硅受限于其基本材料性質(zhì)，且因此不能有效地提供用于激光器運(yùn)行 的光增益。因此，增益材料的混合集成（例如，位于硅平臺(tái)上的III-V族半導(dǎo)體）可用于構(gòu) 造環(huán)形激光器202。
[0022] 環(huán)形激光器202可具有環(huán)形形式的諧振器。與前述線性或駐波腔/諧振激光器不 同，行波諧振器（例如，具有大致環(huán)形或圓盤樣形式的諧振器）可允許例如兩個(gè)不同的傳播 方向。環(huán)形諧振器本身可由一組波導(dǎo)組成，該組波導(dǎo)中的至少一個(gè)是耦合至一些光源/輸 入和輸出（例如，波導(dǎo)）的閉環(huán)。在諧振波長(zhǎng)的光穿過環(huán)形諧振器時(shí)，由于光繞著環(huán)形諧振 器繞圈，光的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。這樣的強(qiáng)度增加（增益）是相長(zhǎng)干涉的結(jié)果。
[0023] 在該示例中，III-V微環(huán)諧振器204可置于硅基底206上，硅基底206落在絕緣體 上硅（SOI)基底208上。硅基底206可支撐微環(huán)諧振器204。SOI基底可通過例如將氧化 硅晶片晶片鍵合到另一個(gè)硅載體晶片上來制作?；衔锇雽?dǎo)體到SOI基底的這種晶片鍵合 可得益于化合物半導(dǎo)體的增益特性，以及硅波導(dǎo)的無源波導(dǎo)特性。
[0024] III-V微環(huán)諧振器204可包括被磷化銦（InP)覆層212和InP接觸層214夾在中 間的MQW層210。InP覆層212可被p型摻雜，以產(chǎn)生p型半導(dǎo)體層216,而InP接觸層214 可被η型摻雜，產(chǎn)生η型半導(dǎo)體層218。InP覆層212以及InP接觸層214可用于基本上將 光約束/限制在微環(huán)諧振器204內(nèi)。MQW層210可被認(rèn)為是光有源層，且可包括多個(gè)例如基 于InAlGaAs的量子阱。如上所述，光240可在環(huán)形激光器202的光腔內(nèi)行進(jìn)。
[0025] 應(yīng)注意到，本文描述的公開不需要受限于特定示例的具體幾何形狀、尺寸、或材 料。如上面所指出的，量子阱可由夾在硅之間的鍺薄層之外的材料形成。此外，可用替代的 摻雜和幾何形狀形成上述各層。再進(jìn)一步，可在半導(dǎo)體制備工藝中使用的其他類型的基底 被認(rèn)為是在本公開的范圍內(nèi)。此外，如將在下面討論的，耦合環(huán)諧振系統(tǒng)的各種其他結(jié)構(gòu)是 可能的，且仍在本公開的范圍內(nèi)。
[0026] 環(huán)形調(diào)制器220可為例如混合硅金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS)環(huán)形調(diào)制器。類似于環(huán) 形激光器202,落在硅基底206上的η型摻雜的InP接觸層226可產(chǎn)生η型半導(dǎo)體層228。 圖2Β進(jìn)一步說明了 Si (例如，SOI基底208)上的ρ型接觸230 (圖2Α中未示出），η型摻 雜的InP接觸層226和ρ型接觸230之間的區(qū)域