CN106921112A - 多波长硅基混合集成slot激光器集成光源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源及其制备方法，多波长硅基混合集成slot激光器集成光源包括硅基波导结构及键合在所述硅基波导结构上的多模半导体增益激光器阵列，其中，所述硅基波导结构包括：硅基衬底，n条波导通道，设置在所述硅基衬底上，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，多模干涉耦合器，设置在所述硅基衬底上，以及弯曲波导组，连接至少一条波导通道及多模干涉耦合器。

Description

多波长硅基混合集成slot激光器集成光源及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子领域，特别涉及一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源及其制备方法。
背景技术
在硅基光子学中，硅基光子集成芯片与以InP基为代表的的三五族化合物半导体光子集成芯片的构成基本相一致，简单划分包含有光源、调制器、探测器、无源光波导、耦合器等，对于硅材料来说其中最难以解决的就是硅基光源的问题，本征的硅材料是间接带隙材料，其发光效率很低，完全不能用作光互连中的光源。
发明内容
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，包括硅基波导结构及键合在所述硅基波导结构上的多模半导体增益激光器阵列，其中，所述硅基波导结构包括：硅基衬底，n条波导通道，设置在所述硅基衬底上，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，多模干涉耦合器，设置在所述硅基衬底上，以及弯曲波导组，连接至少一条波导通道及多模干涉耦合器。
根据本发明的另一方面，提供一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的制备方法，包括：制备硅基波导结构及多模半导体增益激光器阵列，以及将多模半导体增益激光器阵列键合至所述硅基波导结构上，其中所述硅基波导结构包括：硅基衬底，n条波导通道，设置在所述硅基衬底上，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，多模干涉耦合器，设置在所述硅基衬底上，以及弯曲波导组，连接至少一条波导通道及多模干涉耦合器。
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果之一：
(1)采用slot结构作为选模结构，其制备工艺简单，使用与标准CMOS工艺兼容的光刻技术就可以达成，且其工艺灵活，制作成本低；
(2)通过改变波导通道上slot的宽度就实现多波长激光器集成光源，符合WDM系统对应的信号要求；
(3)采用金属键合键合热导率高、良好的电学特性，并提高光耦合效率。
附图说明
图1为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的结构示意图；
图2为图1中硅基波导结构的结构示意图；
图3为图2中B区域的放大示意图；
图4为图2中A区域的放大示意图；
图5为图1中多模半导体增益激光器阵列的掩埋脊波导激光器单体的结构示意图；
图6为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的静态测试图；
图7为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的光谱图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
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。
图1为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的结构示意图，如图1所示，多波长硅基混合集成slot激光器集成光源100包括：硅基波导结构10以及键合在所述硅基波导结构10上的多模半导体增益激光器阵列20。
图2为图1中硅基波导结构的结构示意图，如图2所示，本实施例中中，硅基波导结构10包括三层硅基SOI衬底波导结构，该结构包括依次层叠硅基衬底11、氧化硅层12以及顶硅层13，所述顶硅层13包括n条相互平行设置的波导通道131、弯曲波导组132以及多模干涉耦合器133。氧化硅层12的厚度优选为2微米。
图3为图2中B区域的放大示意图，图3仅示出了硅基波导结构的一部分，即仅包括一波导通道的部分，图2中的硅基波导结构10包括多个平行设置的图3所示的部分，如图3所示，波导通道131沿X方向平行设置，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分1311、taper部分1312以及slot部分1313，其中，slot部分1313的宽度小于硅波导部分1311的宽度，Taper部分连接硅波导部分1311及slot部分1313，其宽度由硅波导部分1311的宽度逐渐过渡到slot部分1313的宽度。n条波导通道的硅波导部分1311相同，具有相同的长度和宽度，n条波导通道的slot部分1313均具有相同长度及间隔周期，但n条波导通道的slot部分1313的宽度各不相同。每条波导通道131的硅波导部分1311两侧各设置一个键合金属层14，用于与多模半导体增益激光器阵列20键合。
图4为图2中A区域的放大示意图，如图4所示，多模干涉耦合器133用于输出所需光，包括一输出波导1331、多模干涉耦合器本体1332以及至少一输入波导1333，弯曲波导组132包括至少一弯曲波导1321，每一弯曲波导连接一条波导通道131至一输入波导1333。
多模半导体增益激光器阵列20包括n个相互连接的呈阵列片排布的掩埋脊波导激光器单体，本实施例中，多模半导体增益激光器阵列20为P型衬底外延生长的掩埋脊波导InGaAsP激光器阵列，n个相互连接的呈阵列片排布的掩埋脊波导激光器单体的周期为240微米，图5为图1中多模半导体增益激光器阵列20的掩埋脊波导激光器单体的结构示意图，如图3所示，掩埋脊波导激光器单体为掩埋脊波导InGaAsP激光器，其包括P型衬底21及其上的Buffer层22，粒子注入区域23设置在Buffer层22上，且在粒子注入区域23中间位置形成凹槽，凹槽底部为Buffer层22，凹槽内依次设置有下限制层24、有源区25以及上限制层26，凹槽顶部及周边区域设置有波导层27，粒子注入区域23未被波导层27覆盖的区域设置有氧化硅层28，氧化硅层28和波导层27上设置有带有窗口29的N面金属电极，窗口对应所述凹槽设置，P型衬底21底面设置有P面金属电极。
结合附图1-5，本实施例中，多模半导体增益激光器阵列20金属键合至硅基波导结构10上，多模半导体增益激光器阵列20倒置，每一掩埋脊波导激光器单体的窗口对应一波导通道，每一掩埋脊波导激光器单体的窗口两侧的N面金属电极键合至一波导通道的硅波导部分131两侧的键合金属层14。
本实施例中的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的工作原理是：多模半导体增益激光器阵列20提供多模激光，每一掩埋脊波导激光器单体均发射相同的多模激光，每一掩埋脊波导激光器单体发射的单模激光分别耦合至对应的波导通道中，波导通道通过slot部分对多模激光进行选模，仅反射一单模激光由硅波导部分131出射，slot部分的宽度决定了反射单模激光的波长，多模干涉耦合器133耦合需要的多个单模激光作为集成光源发射。
图6为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的静态测试图。如图6中的(a)所示，本发明实施例一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的典型阈值电流为12mA，最大输出功率为700微瓦，如图6中的(b)所示，边模抑制比约为20dB。
图7为本发明一实施例的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的光谱图。如图7所示，以n＝4为例，本实施例一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的四个波段的波长分别为1538.6nm、1540.5nm、1544.9nm和1550.0nm。
本发明另一实施例提供一种多波长硅基混合集成slot激光器阵列制备方法，具体包括制备硅基波导结构及多模半导体增益激光器阵列，以及将多模半导体增益激光器阵列键合至所述硅基波导结构上。
制备硅基波导结构10具体包括以下步骤：
依次层叠硅基衬底11、氧化硅层12以及顶硅层13形成三层硅基SOI衬底结构；
对顶硅层13进行第一构图，在与X方向垂直的Y方向上去除部分顶硅层，形成slot区域，第一构图采用光刻及ICP刻蚀工艺完成；
对形成Slot区域的顶硅层进行第二次构图，形成n条波导通道131、弯曲波导组132以及多模干涉耦合器133。每一波导通道131包括顺序设置的硅波导部分1311、taper部分1312以及slot部分1313，所述各波导通道131的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，多模干涉耦合器133用于输出所需光，包括一输出波导1331、多模干涉耦合器本体1332以及至少一输入波导1333，弯曲波导组132包括至少一弯曲波导1321，每一弯曲波导连接一条波导通道131至一输入波导1333，第二次构图采用光刻工艺及ICP刻蚀。
在每一波导通道的硅在每一波导通道的硅波导部分两侧沉积金属层形成键合金属层14，具体的，通过光刻定义金属沉积区，仅非金属沉积区保留光刻胶；整面沉积金属层；除去光刻胶及其上的金属层，仅在每一波导通道的硅波导部分两侧保留金属层形成键合金属层。
通过减薄技术，将硅基波导结构10的硅基衬底11减薄至整个结构约为100微米厚，在此厚度下通过划片就可以将硅基波导结构10解理为小片硅基波导结构待用，其中每一小片硅基波导结构仅均包括一多模干涉耦合器133、一弯曲波导组132以及多条波导通道131。
将多模半导体增益激光器阵列键合至所述硅基波导结构上具体包括：
将多模半导体增益激光器阵列20的P面金属电极向上放置，由键合机的真空吸头以touch down工作方式落下吸取后抬起，将制作好的硅基波导结构10的顶硅层13向上放置，在键合机对准系统中将多模半导体增益激光器阵列20的每一掩埋脊波导激光器单体的N面金属电极的窗口29的中央对准硅基波导结构10的一波导通道，调整键合参数，实施键合，待自然冷却降温后即获得多波长硅基混合集成slot激光器集成光源。
本领域技术人员可以理解的是，在其他实施中，各波导通道可以不是平行设置，例如各波导通道组成以一点为原点的放射线组。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
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，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。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (11)

1.一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，包括硅基波导结构及键合在所述硅基波导结构上的多模半导体增益激光器阵列，其中，
所述硅基波导结构包括：
硅基衬底，
n条波导通道，设置在所述硅基衬底上，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，
多模干涉耦合器，设置在所述硅基衬底上，以及
弯曲波导组，连接至少一条波导通道及多模干涉耦合器。
2.根据权利要求1所述的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，其中，所述硅基衬底上设置有二氧化硅层，所述n条波导通道、多模干涉耦合器及弯曲波导组设置在所述二氧化硅层上。
3.根据权利要求1所述的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，其中，所述n条波导通道平行设置，每条波导通道两侧均设置有键合金属层，用于键合所述多模半导体增益激光器阵列。
4.根据权利要求3所述的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，其中所述的多模半导体增益激光器阵列包括n个相互连接的掩埋脊波导激光器单体，与所述n条波导通道一一对应。
5.根据权利要求4所述的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，其中所述掩埋脊波导激光器单体包括掩埋脊波导InGaAsP激光器。
6.根据权利要求1所述的多波长硅基混合集成slot激光器集成光源，其中，所述多模干涉耦合器包括一输出波导、多模干涉耦合器本体以及至少一输入波导，所述弯曲波导组连接至少一条波导通道至至少一输入波导。
7.一种多波长硅基混合集成slot激光器集成光源的制备方法，其中，包括：
制备硅基波导结构及多模半导体增益激光器阵列，以及
将多模半导体增益激光器阵列键合至所述硅基波导结构上，
其中所述硅基波导结构包括：
硅基衬底，
n条波导通道，设置在所述硅基衬底上，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，
多模干涉耦合器，设置在所述硅基衬底上，以及
弯曲波导组，连接至少一条波导通道及多模干涉耦合器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中，制备硅基波导结构包括：
对硅基衬底上的顶硅层进行第一次构图，形成slot区域；
对形成slot区域的顶硅层进行第二次构图，形成多模干涉耦合器、弯曲波导组以及n条波导通道，每一波导通道包括顺序设置的硅波导部分、taper部分以及slot部分，所述各波导通道的slot部分的宽度均不同，其中n≥2，n为正整数，所述多模干涉耦合器包括一输出波导、多模干涉耦合器本体以及至少一输入波导，所述弯曲波导组连接至少一条波导通道至至少一输入波导；以及
在每一波导通道的硅波导部分两侧沉积金属层用于键合。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述第一次构图及第二次工艺均采用光刻及ICP刻蚀。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其中，在每一波导通道的硅在每一波导通道的硅波导部分两侧沉积金属层包括：
通过光刻定义金属沉积区，仅非金属沉积区保留光刻胶；
整面沉积金属层；以及
除去光刻胶及其上的金属层，仅在每一波导通道的硅波导部分两侧保留金属层。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其中，所述多模半导体增益激光器阵列n个相互连接的掩埋脊波导激光器单体，每一掩埋脊波导激光器单体包括窗口区域，将多模半导体增益激光器阵列键合至所述硅基波导结构上包括将n个相互连接的掩埋脊波导激光器单体的窗口区域的中央分别面向并对准n条波导通道键合。
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