CN103199436A - 基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，适用于硅基光子集成芯片的光源部分。该面上光源装置包括硅基耦合光栅部分和III-V族倾斜光束边发射激光器部分，其中硅基部分采用SOI材料，其上分布着布拉格光栅和耦合输出波导，实现高效耦合输出。III-V族倾斜光束边发射激光器结构直接键合于SOI上，光束向斜下方发射，照射到硅基布拉格光栅上，再耦合到硅基波导中。本发明通过倾斜光束边发射激光器与光栅的高效耦合，形成一种面上光源装置，其可通过事先对激光器进行选择，然后再集成到硅基上来实现，可实现更高的功率，工艺难度也不大，其中倾斜光束边发射激光器具有极低的发散角。

Description

基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置

技术领域

本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近物理极限，尤其在互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

磷化铟和硅的混合集成激光是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的技术。通常采取带有波导结构的SOI(Silicon on insulator)材料与III-V外延材料通过有机材料粘合，去掉InP衬底，然后再进行激光器的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI结构的，采用电注入在III-V材料层完成泵浦和光增益。近几年有人提出基于此混合结构的布拉格分布反馈(DFB)，分布反射(DBR)，分段光栅等激光器，实现了单波长激射，使之适于密集波分复用系统的传输应用；根特大学的研究人员实现了4波长微碟紧凑型激光器。这些激光器还没有商用，主要是因为工艺上还是比较复杂，成本也很高。要实现高速光互连，单纵模激光器是核心器件之一。

对于通过晶片键合形成的面上光源有几个问题。一是大多数CMOS工厂不允许加工III-V族材料，怕引入污染。二是把材料键合上去再做激光器，成品率是比较低的。三是III-V族晶片直径比较小而硅基材料直径比较大，进行晶片键合再做工艺，浪费严重。

比较可行的方法是先将III-V族激光器管芯或阵列通过常规半导体工艺做出来，筛选好，然后通过各种耦合方法集成上去。但要获得高耦合效率非常困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，其包括硅基波导和激光器，所述硅基波导具有硅基光栅和硅基输出波导，所述硅基输出波导为耦合波导结构；所述激光器的表面上分布有周期狭槽，该周期狭槽使得激光器发出的激光光束倾斜输出，并照射到所述硅基光栅后，从硅基输出波导耦合输出。

本发明还提供了一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作方法，其包括：

步骤1、定制激光器外延片和硅基波导晶片；

步骤2、在所述激光器外延片的上表面刻蚀周期狭槽；

步骤3、并在刻蚀了所述周期狭槽的激光器外延片上表面制作P电极，在其下表面制作N电极，以完成激光器的制作；

步骤4、在硅基波导晶片上制作硅基光栅，并在所述硅基光栅末端制作耦合波导；

步骤5、光束对准耦合，使得经过所述周期狭槽倾斜发射的激光光束对准耦合至所述硅基光栅；

步骤6、将所述激光器外延片和所述硅基波导晶片通过键合粘合在一起，完成所述基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作。

本发明提供的这种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，其中激光器可通过微米级工艺就可实现单模激射，成本低，发散角小(只有1-2度，接近平行光束)，光束方向与发射面可成60度以上发射角，易于与硅基耦合光栅部分形成高效输出。

本发明提供的这种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，可事先选择好合适的激光器管芯，然后再键合到硅基上，有利于光子芯片提高成品率，而采用倒装焊技术可实现大规模生产，输出更高功率。

附图说明

图1是本发明中基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置结构图；

图2是本发明中基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作方法流程图；

图3是本发明中发射倾斜光束的激光器光场分布图；

图4是本发明中发射倾斜光束的激光器的发射角度和光强关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，适用于硅基光子集成芯片的光源部分。该面上光源装置包括硅基波导部分部分和倾斜光束边发射激光器部分，其中硅基波导部分采用硅/二氧化硅/硅(SOI)材料，此部分上分布着周期满足布拉格条件的硅基光栅和进行激光光束耦合的硅基输出波导，实现激光光束的高效耦合输出。而倾斜光束边发射激光器部分采用III-V族半导体材料，其直接键合于所述硅基波导部分上，且其表面金属电极层上分布有周期狭槽，该周期狭槽使得激光光束向斜下方发射，并照射到所述硅基光栅上，然后再耦合到硅基输出波导中，最终向外发射激光光束。

如图1所示，本发明提供的基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，包括硅基波导部分和倾斜光束边发射激光器部分。

所述硅基波导部分包括：

硅衬底10，其为单晶硅材料；

二氧化硅层11，该二氧化硅层11位于硅衬底10之上；

硅波导层12，该硅波导层12制作在二氧化硅层11之上，该硅波导层12的平面内右侧开有周期的空气槽，形成硅基光栅121，在硅基光栅121一端通过两个对弯沟槽形成硅基输出波导122，形成激光光束的耦合输出。

该硅基波导部分应用的是SOI材料，其中硅波导层12典型厚度为0.2到1微米，硅衬底10厚度大于50微米，中间层为二氧化硅11厚度为1到3微米。

所述硅基光栅121，具体结构将根据耦合波长、带宽、接收光束方向和效率要求而定。通常做成周期直条和弯条，周期满足布拉格条件，利用1阶到高阶光栅设计，典型周期在纳米到几十微米范围，占空比在0.1-0.9，对于大尺寸利用简单廉价的光刻工艺即可形成。通常情况下，为了满足大带宽需要，光栅周期需要做成一定的分布，包括各种啁啾和切趾，以适应光场匹配，即光栅周期不是均匀的，按一定函数形式渐变。光栅区大小与倾斜光束边发射激光器的光斑尺寸匹配，光栅覆盖范围在传播方向为几微米到毫米量级，垂直传播方向在微米到毫米量级。硅波导层12上面为了抗反射，一般需要覆盖抗反射膜，如氮化硅或二氧化硅等。

在所述硅基光栅121末端，即图1中硅波导层12的右端，通过两个对弯沟槽形成硅基输出波导122，形成耦合输出。该硅基输出波导122为耦合波导，且该耦合波导结构有多种方式来实现，渐变结构和直波导均可，耦合输出波导宽度为0.5微米-3微米，要根据后端级联器件要求确定。通过常规半导体光刻、湿法或干法刻蚀工艺在硅波导层12的上层硅材料中刻蚀空气沟道形成硅基光栅121。

所述倾斜光束边发射激光器部分包括：

下金属电极层13，其制作在硅波导层12上，位于左侧，与硅波导层12紧密相接。该金属材料为单层金属或复合多层金属薄膜，包括Ti/Au组合、AuGeNi组合和其他组合等。一般通过导电阴胶或键合的方式加到硅波导层12上。下金属电极层13的整个厚度在100-50000纳米范围；

N型III-V族衬底14，其制作在下金属电极层13之上，左右呈条形，宽度小于下金属电极层13。条形宽度在微米到毫米量级，长度与下金属电极层13相同，在100微米以上；

N型下限制层15，其制作在N型III-V族衬底14之上，形状与N型III-V族衬底14相同，二者上下紧密相接。该层一般为InP材料或GaAs材料，并进行一定掺杂，典型的掺杂为N型掺杂大于1×10¹⁸/cm³；

N型波导层16，其制作在N型下限制层15之上，形状与N型下限制层15相同，二者上下紧密相接。该层一般为InP材料或GaAs材料；

多量子阱有源区17，其制作在N型波导层16之上，形状与N型波导层16相同，二者上下紧密相接。多量子阱有源区17，其量子阱数为1-10个，发光波长大于0.8微米，为铟镓砷磷或铟镓铝砷多量子阱系，与铟磷形成晶格匹配或引入一定应变。一般不故意掺杂。典型材料为InGaAsP系或AlGaInAs系。要求其平均折射率高于其他各层，以便光波与增益区有较大的重合，保证增益实现更低阈值；

P型波导层18，其制作在多量子阱有源区17之上，形状与多量子阱有源区17相同，二者上下紧密相接。典型厚度在几十纳米到微米量级；

P型上限制层19，其制作在P型波导层18之上，左右呈条形，宽度小于P型波导层18，条形长度与P型波导层18相同；二者上下紧密相接。该层材料一般InGaAsP或AlGaInAs，对于有源区多量子阱其带间波长为1.5微米时，对应的N型下限制层15的材料波长典型值为1.3微米。该层掺杂浓度一般在1×10¹⁷/cm³；

P型盖层20，其制作在P型上限制层19之上，形状与P型上限制层19相同，二者上下紧密相接。一般为InP材料，典型厚度在1.5微米，掺杂浓度典型值为1×10¹⁸/cm³；通常情况下，该层上面还有欧姆接触层，厚度在100-200纳米左右，高掺杂，浓度在1×10¹⁹/cm³；

上金属电极层21，其制作在P型盖层20之上，形状与P型盖层20相同，二者上下紧密相接。在上金属电极层21的右侧分布着周期狭槽211，该周期狭槽211穿透上金属电极层21和P型盖层20，并深入到P型上限制层19当中。该金属电极层为单层金属或复合多层金属薄膜，包括Ti/Au组合、AuGeNi组合和其他组合等。一般通过导电阴胶或键合的方式加到硅波导层12上。整个厚度在1000-5000纳米范围。

所述周期狭槽211使得所述激光器发出的光束向下倾斜50-60度角，且其使得光束的发散角很小，小于2度，而普通的激光器所发出的光束要么是垂直输出，要么水平输出，且垂直发散角大于30度。所述周期狭槽211的深度、周期及宽度对波长，角度及激光器阈值和效率均有影响。狭槽深至P型盖层20，但不到P型波导层18。周期在1至20微米，槽宽大于1微米，个数小于100，分布于激光器出光面一侧。

基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置在工作时采用电注入方式。当电流从上下电极层注入后，倾斜光束边发射激光器发光，并形成斜向下的大角度偏角光束，发散角很小接近平行光。该斜向下的激光光束然后照射到硅基光栅121上，从硅基输出波导122耦合输出。

基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作方法具体如图2所示。

步骤A、准备III-V族材料和SOI材料。所述III-V族材料为定制外延片，其各层组分如图1所描述的14-20各层。SOI材料为定制晶片，各层结构如图1所描述的10-12各层。

步骤B、在所述III-V族材料的衬底相反面上制作脊形条。其制作工艺为半导体激光器常规工艺，利用事先做好的模板，进行接触式光刻，再进行干法或湿法刻蚀，以形成如图1所示的周期狭槽211。

步骤C、制作完脊形条后在与衬底相反面上制作P型电极窗口。用SiO₂掩模绝缘，光刻，腐蚀形成该P电极窗口。

步骤D、在步骤C的P型电极窗口蒸发或溅射所述P型电极金属。溅射金属为Ti/Au或Ti/Pt/Au。

步骤E、在步骤D蒸发或溅射所述P型电极金属上制作P电极。通过先光刻，再腐蚀的方式，露出所述周期狭槽211，并完成P电极制作，以形成所述上金属电极层21。

步骤F、减薄衬底并制作N电极；将III-V族材料的衬底14减薄至100微米左右，并在衬底底面生长Ti/Au或AuGeNi/Au，以形成如图1所示的下金属电极层13。

步骤G、对以上工艺所形成的III-V族晶片进行解理；即解成所需要的大小，一般为0.5mmX0.5mm。

步骤H、在垂直于所述脊形条的出光端面镀膜并形成管芯；在端面镀上保护介质膜，如SiO₂，形成发射倾斜光束的激光器的管芯；

步骤I、制作所述硅基光栅121；即在SOI材料上的如图1所示的硅波导层12的右侧，通过光刻腐蚀制作所述硅基光栅121和硅基输出波导122。

步骤J、光束对准耦合，即将III-V族部分放置在SOI部分上，通过调整水平面内位置和方向，使得经过所述周期狭槽倾斜发射的激光光束对准耦合至所述硅基光栅；然后将III-V族部分和SOI部分通过键合和对准粘到一起，形成如图1所示的所述基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置。

整个过程，不需要电子束，全息曝光及二次外延等技术。而且电极制作简单，不需要特殊的电极制作。在特殊需要下，也可通过增加曝光次数和剥离工艺，制作不同材料的N型和P型电极。通过倾斜光束边发射激光器与光栅的高效耦合，形成所述基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，可以事先对激光器进行选择，然后再集成到硅基上，实现更高的功率，利用廉价的标准半导体工艺加工，适于大批量生产。

对于发射倾斜光束的激光器光场分布如图3所示，腔体内部形成大倾角的接近平行光束，由上端面倾斜发出。由图4所示的发射角度和光强关系图可见，主峰光束倾斜角在50-60度左右，发散角仅有1.8度，单模激射，利于光栅耦合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置，其包括硅基波导和激光器，所述硅基波导具有硅基光栅和硅基输出波导，所述硅基输出波导为耦合波导结构；所述激光器的表面上分布有周期狭槽，该周期狭槽使得激光器发出的激光光束倾斜输出，并照射到所述硅基光栅后，从硅基输出波导耦合输出。

2.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述硅基波导由SOI材料构成，所述激光器由III-V族材料构成。

3.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述硅基光栅由周期狭槽构成，其周期满足布拉格条件，该周期狭槽包括直线形和曲线形。

4.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述硅基光栅表面覆盖有抗反射膜。

5.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述硅基输出波导为所述硅基光栅末端通过两个对弯沟槽形成的。

6.如权利要求1所述的光源装置，其特征在于，所述激光器直接键合于所述硅基波导上。

7.如权利要求6所述的光源装置，其特征在于，所述硅基光栅和硅基输出波导位于硅基波导表面上未被激光器覆盖的一端。

8.如权利要求7所述的光源装置，其特征在于，所述周期狭槽位于激光器上接近所述硅基光栅和硅基输出波导的一端。

9.一种基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作方法，其包括：

步骤1、定制激光器外延片和硅基波导晶片；

步骤2、在所述激光器外延片的上表面刻蚀周期狭槽；

步骤3、并在刻蚀了所述周期狭槽的激光器外延片上表面制作P电极，在其下表面制作N电极，以完成激光器的制作；

步骤4、在硅基波导晶片上制作硅基光栅，并在所述硅基光栅末端制作耦合波导；

步骤5、光束对准耦合，使得经过所述周期狭槽倾斜发射的激光光束对准耦合至所述硅基光栅；

步骤6、将所述激光器外延片和所述硅基波导晶片通过键合粘合在一起，完成所述基于倾斜光束边发射激光器的硅波导输出面上光源装置的制作。

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