CN106848813A - 一种基于soi混合集成热不敏感激光器结构和制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通讯激光器技术领域，提供了一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构和制作方法。所述结构包括：位于所述三五族有源层波导与所述第一硅波导的耦合段之间；所述三五族有源层波导与所述第一硅波导位于耦合段上，且相对于耦合侧面的另一面包含斜面；所述斜面呈现为从各波导耦合段上的预设区域向端口切削的结构；所述第一硅波导的出光口与所述聚合物波导的进光口耦合；所述聚合物波导的出光口与所述第二硅波导的进光口耦合。本发明实施例可以实现激光器的热不敏感，温度变化时，激光器光波长稳定不变，不需要额外使用TEC来控温，能大大降低模块的功耗，节省封装空间，实现相同封装方式下更多路光通道的封装。

Description

一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构和制作方法
【技术领域】
本发明涉及光通讯激光器技术领域，特别是涉及一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构和制作方法。
【背景技术】
随着信息传输带宽的需求一直在以爆炸的速度增长，为满足网络流量的飞速发展，在骨干层网络，40Gbps、100Gbps光网络已经开始商用部署，400Gbps或1Tbps光通信系统也开始研究。高速率宽带宽的的发展，要求波分复用的波长间隔越来越小，尤其速率上了100Gbps之后，LWDM(LinkedWavelength Division Multiplexing)通讯窗口要求波长在2nm范围变动，现有激光器芯片会随着温度变化而波长漂移。高速率光模块封装中必须采用TEC、热敏电阻等温控元件对激光器进行温控处理，实现稳定的波长输出。TEC的引入不但增大了整个光模块的功耗，也给封装带来了极大的不便，同一封装形式，如QSFP、CFP4等需要腾出一部分空间来封装TEC，芯片封装空间的减小限制了多路通讯波长的引入，影响多路高速率的光模块发展。TEC及热敏电阻的打线引脚一定程度上也会对高频信号产生影响。
【发明内容】
本发明实施例要解决的技术问题是是现有的激光器温度补偿控制都是基于TEC完成的，而相应结构需要腾出一部分空间来封装TEC，芯片封装空间的减小限制了多路通讯波长的引入，影响多路高速率的光模块发展。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构，包括SOI衬底、三五族有源层波导、负折射率温度系数的聚合物波导、第一硅波导和第二硅波导，所述三五族有源层波导、负折射率温度系数的聚合物波导、第一硅波导和第二硅波导位于所述SOI衬底上，具体的：
位于所述三五族有源层波导与所述第一硅波导的耦合段之间，其相邻的侧面保持平行；所述三五族有源层波导与所述第一硅波导位于耦合段上，且相对于耦合侧面的另一面包含斜面；所述斜面呈现为从各波导耦合段上的预设区域向端口切削的结构；
所述第一硅波导的出光口与所述聚合物波导的进光口耦合；所述聚合物波导的出光口与所述第二硅波导的进光口耦合。
可选的，所述第一硅波导的出光口为锥形，所述聚合物波导以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导的进光口套接在所述第一硅波导的锥形出光口上。
可选的，所述第二硅波导的进光口为锥形，所述聚合物波导以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导的进光口套接在所述第二硅波导的锥形进光口上。
可选的，所述三五族有源层波导bonding在SOI衬底上。
可选的，所述三五族有源层波导的长度L和折射率n，以及聚合物波导的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导的长度L和聚合物波导的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导和/或聚合物波导。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于SOI的混合集成热不敏感激光器的制作方法，所述方法包括：
通过光刻在所述SOI衬底上制作第一硅波导和第二硅波导图形，其中，所述第一硅波导图形的出光口和第二硅波导的进光口分别被制作成锥形；并且，所述第一硅波导的进光口被制作成楔形；
将三五族有源层波导bonding在所述SOI衬底的预设位置，使得所述三五族有源层波导的出光口和所述硅波导的进光口完成耦合；在所述第一硅波导的出光口侧和第二硅波导的进光口侧套刻聚合物波导，其中，所述聚合物波导的进光口覆盖在所述第一硅波导的出光口的锥形图形之上，所述聚合物波导的出光口覆盖在所述第二硅波导的进光口的锥形图形之上。
可选的，所述三五族有源层波导的长度L和折射率n，以及聚合物波导的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导的长度L和聚合物波导的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导和/或聚合物波导。
本发明实施例可以实现激光器的热不敏感，温度变化时，激光器光波长稳定不变，不需要额外使用TEC来控温，能大大降低模块的功耗，节省封装空间，实现相同封装方式下更多路光通道的封装，本发明实施例中激光器制作在SOI上，芯片发光可以直接进入光波导中传输，不需要额外进行耦合，利于集成与批量生产。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构俯视图；
图2是本发明实施例提供的一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构主视图；
图3是本发明实施例提供的一种第一硅波导和聚合物波导耦合结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种第二硅波导和聚合物波导耦合结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于SOI混合集成热不敏感激光器制作流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
光互联取代电互联是光通信行业发展趋势，具有非常诱惑的前景，硅光是业内公认最有可能实现全光互联的技术方案。由于硅材料是间接带隙，用来制作成光源发光效率非常低，研究人员发现目前比较可行的方式是采用三五族的芯片与SOI实现混合集成。但芯片与SOI波导尺寸太小，耦合是一重大难题，采用lens耦合工艺上难操作。本发明中激光器制作在SOI上，三五族有源层波导光模场可以直接耦合进入硅波导中传输，利于集成与批量生产。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构，如图1和图2所示，包括SOI衬底1、三五族有源层波导2、负折射率温度系数的聚合物波导3、第一硅波导4和第二硅波导5，所述三五族有源层波导2、负折射率温度系数的聚合物波导3、第一硅波导4和第二硅波导5位于所述SOI衬底1上，具体的：
位于所述三五族有源层波导2与所述第一硅波导4的耦合段之间，其相邻的侧面保持平行；所述三五族有源层波导2与所述第一硅波导4位于耦合段上，且相对于耦合侧面的另一面包含斜面6；所述斜面呈现为从各波导耦合段上的预设区域向端口7切削的结构；
所述第一硅波导4的出光口与所述聚合物波导3的进光口耦合；所述聚合物波导3的出光口与所述第二硅波导5的进光口耦合。
本发明实施例可以实现激光器的热不敏感，温度变化时，激光器光波长稳定不变，不需要额外使用TEC来控温，能大大降低模块的功耗，节省封装空间，实现相同封装方式下更多路光通道的封装，本发明实施例中激光器制作在SOI上，芯片发光可以直接进入光波导中传输，不需要额外进行耦合，利于集成与批量生产。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种第一硅波导4和聚合物波导3端口耦合的实现方式，所述第一硅波导4的出光口41为锥形，所述聚合物波导3以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导3的进光口套接在所述第一硅波导4的锥形出光口41上。该方式都能够一定程度上改善从三五族有源层波导2输出的光信号传播到硅波导4中的衰减度。
类似与上述改进方式，在本发明实施例中存在一种可选的改进方案，如图4所示，所述第二硅波导5的进光口51为锥形，所述聚合物波导3以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导3的进光口套接在所述第二硅波导5的锥形进光口51上。该方式都能够一定程度上改善从聚合物波导3输出的光信号传播到第二硅波导5中的衰减度。
在本发明实施例中，所述三五族有源层波导2可以是bonding在SOI衬底1上，例如：通过倒装焊接的方式完成三五族有源层波导2与SOI衬底1的固定。
为了进一步支撑本发明实施例中，对于三五族有源层波导2和聚合物波导3之间如何进行选材及其长度设置提供可参考依据，接下来将依据本发明实施例提出的有益效果：聚合物波导3的dn/dT<0，为负温度系数的材料；三五族有源层波导2的dn/dT>0，为正温度系数的材料，两者组合成FP腔，实现FP腔内的dn/dT＝0，提供一种可行的理论依据。具体的：
所述三五族有源层波导2的长度L和折射率n，以及聚合物波导3的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导2的等效波长波动因子和聚合物波导3的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导2的等效波长波动因子和聚合物波导3的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导2的长度L和聚合物波导3的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导2和/或聚合物波导3。
实施例2：
本发明实施例还提供了一种基于SOI的混合集成热不敏感激光器的制作方法，所述方法可以用制作如实施例1所述的基于SOI的混合集成热不敏感激光器，如图5所示，所述方法包括：
在步骤201中，通过光刻在所述SOI衬底1上制作第一硅波导4和第二硅波导5图形。
其中，所述第一硅波导4图形的出光口和第二硅波导5的进光口分别被制作成锥形；并且，所述第一硅波导4的进光口被制作成楔形，例如：直角三角形或者直角梯形。
在步骤202中，将三五族有源层波导2bonding在所述SOI衬底1的预设位置，使得所述三五族有源层波导2的出光口和所述硅波导的进光口完成耦合。
在步骤203中，在所述第一硅波导4的出光口侧和第二硅波导5的进光口侧套刻聚合物波导3。
其中，所述聚合物波导3的进光口覆盖在所述第一硅波导4的出光口的锥形图形之上，所述聚合物波导3的出光口覆盖在所述第二硅波导5的进光口的锥形图形之上。
本发明实施例所加工制作出来的激光器可以实现激光器的热不敏感，温度变化时，激光器光波长稳定不变，不需要额外使用TEC来控温，能大大降低模块的功耗，节省封装空间，实现相同封装方式下更多路光通道的封装，本发明实施例中激光器制作在SOI上，芯片发光可以直接进入光波导中传输，不需要额外进行耦合，利于集成与批量生产。
为了进一步支撑本发明实施例中，对于三五族有源层波导2和聚合物波导3之间如何进行选材及其长度设置提供可参考依据，接下来将依据本发明实施例提出的有益效果：聚合物波导3的dn/dT<0，为负温度系数的材料；三五族有源层波导2的dn/dT>0，为正温度系数的材料，两者组合成FP腔，实现FP腔内的dn/dT＝0，提供一种可行的理论依据。具体的：
所述三五族有源层波导2的长度L和折射率n，以及聚合物波导3的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导2的等效波长波动因子和聚合物波导3的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导2的等效波长波动因子和聚合物波导3的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导2的长度L和聚合物波导3的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导2和/或聚合物波导3。
本发明各实施例主要通过设计三五族有源层波导和硅波导的结构来实现两者之间的模场转换，实现混合集成耦合。采用负折射率温度系数的波导对三五族的Laser进行补偿，实现折射率的热不敏感，从而达到工作环境温度变化时，激光器的波长稳定在固定的范围不动。同时由于将三五族集成在SOI上，激光器出光口也是SOI顶层的硅波导，很容易实现与调制器、MUX/De-MUX的完全零插损、不需额外工艺加工的耦合对接，便于硅光产品的集成，以及实现全光互联。
本发明各实施例主要通过设计三五族有源层波导和硅波导的结构来实现两者之间的模场转换，实现混合集成耦合。采用负折射率温度系数的波导对三五族的Laser进行补偿，实现折射率的热不敏感，从而达到工作环境温度变化时，激光器的波长稳定在固定的范围不动。同时由于将三五族集成在SOI上，激光器出光口也是SOI顶层的硅波导，很容易实现与调制器、MUX/De-MUX的完全零插损、不需额外工艺加工的耦合对接，便于硅光产品的集成，以及实现全光互联。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SOI混合集成热不敏感激光器结构，其特征在于，包括SOI衬底、三五族有源层波导、负折射率温度系数的聚合物波导、第一硅波导和第二硅波导，所述三五族有源层波导、负折射率温度系数的聚合物波导、第一硅波导和第二硅波导位于所述SOI衬底上，具体的：
位于所述三五族有源层波导与所述第一硅波导的耦合段之间，其相邻的侧面保持平行；所述三五族有源层波导与所述第一硅波导位于耦合段上，且相对于耦合侧面的另一面包含斜面；所述斜面呈现为从各波导耦合段上的预设区域向端口切削的结构；
所述第一硅波导的出光口与所述聚合物波导的进光口耦合；所述聚合物波导的出光口与所述第二硅波导的进光口耦合。
2.根据权利要求1所述的混合集成热不敏感激光器结构，其特征在于，所述第一硅波导的出光口为锥形，所述聚合物波导以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导的进光口套接在所述第一硅波导的锥形出光口上。
3.根据权利要求1或2所述的混合集成热不敏感激光器结构，其特征在于，所述第二硅波导的进光口为锥形，所述聚合物波导以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波导的进光口套接在所述第二硅波导的锥形进光口上。
4.根据权利要求1所述的混合集成热不敏感激光器结构，其特征在于，所述三五族有源层波导bonding在SOI衬底上。
5.根据权利要求1所述的异质结热不敏感激光器结构，其特征在于，所述三五族有源层波导的长度L和折射率n，以及聚合物波导的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导的长度L和聚合物波导的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导和/或聚合物波导。
6.一种基于SOI的混合集成热不敏感激光器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
通过光刻在所述SOI衬底上制作第一硅波导和第二硅波导图形，其中，所述第一硅波导图形的出光口和第二硅波导的进光口分别被制作成锥形；并且，所述第一硅波导的进光口被制作成楔形；
将三五族有源层波导bonding在所述SOI衬底的预设位置，使得所述三五族有源层波导的出光口和所述硅波导的进光口完成耦合；在所述第一硅波导的出光口侧和第二硅波导的进光口侧套刻聚合物波导，其中，所述聚合物波导的进光口覆盖在所述第一硅波导的出光口的锥形图形之上，所述聚合物波导的出光口覆盖在所述第二硅波导的进光口的锥形图形之上。
7.根据权利要求6所述的混合集成热不敏感激光器的制作方法，其特征在于，所述三五族有源层波导的长度L和折射率n，以及聚合物波导的长度Ls和折射率ns，由上述四个参数以及各参数相对于温度的变化系数，构成三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子；
根据所述三五族有源层波导的等效波长波动因子和聚合物波导的等效波长波动因子之和为零，在确定所述折射率n和折射率ns对于温度的变化系数后，得到所述三五族有源层波导的长度L和聚合物波导的长度Ls的长度比例；
依据所述长度比例制作所述三五族有源层波导和/或聚合物波导。
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