CN108075356A - 基于soi结构的热不敏感激光器 - Google Patents

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李伟龙
张永干
孙雨舟
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Abstract

本申请揭示了一种基于SOI结构的热不敏感激光器，包括SOI结构、位于SOI结构上且对应设置的第一反射结构和第二反射结构、以及位于SOI结构上第一反射结构和第二发射结构之间的激光发射器件及负温度系数波导，SOI结构包括位于底层的硅衬底、中间的绝缘层及位于顶层的硅，顶层的硅在第一反射结构和第二反射结构之间形成有硅波导，激光发射器件作为激光器的有源区，负温度系数波导用于对激光器的正向折射率变化进行补偿，以使光线的波长稳定在预设范围内。本申请的激光器具有热不敏感的特征，通过负温度系数波导进行补偿，能调节整个激光器中的折射率在不同的温度下保持不变，激光器的输出波长保持不变。

Description

基于SOI结构的热不敏感激光器
技术领域
本申请属于激光器技术领域，具体涉及一种基于SOI结构的热不敏感激光器。
背景技术
随着高速率宽带宽的发展，要求WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)的波长间隔越来越小，尤其速率上了100Gbps之后，WDM要求波长在一个特小的范围之内变动，例如LWDM(L波段WDM)通讯窗口要求波长必须在2nm范围变动，光模块中不得不采用TEC(Thermo Electric Cooler，半导体致冷器)对激光器等核心器件进行温控处理。这样在同样的封装方式如QSFP、CFP中必须加入TEC、热敏电阻等温控元件，给封装带来了极大的不便，并且TEC的存在也增大了整个模块的功耗。
传统的DFB激光器波长随温度的变化速率在0.09nm/℃，在高速率的光模块中，波长限制的范围很窄，不加控温装置的话，DFB激光器在工作时波长会漂移出工作区域导致模块失效。
因此针对上述问题，有必要提供一种基于SOI结构的热不敏感激光器。
发明内容
本申请一实施例提供一种基于SOI结构的热不敏感激光器，所述激光器包括SOI结构、位于SOI结构上且对应设置的第一反射结构和第二反射结构、以及位于SOI结构上第一反射结构和第二发射结构之间的激光发射器件及负温度系数波导，所述SOI结构包括位于底层的硅衬底、中间的绝缘层及位于顶层的硅，顶层的硅在第一反射结构和第二反射结构之间形成有硅波导，所述激光发射器件作为激光器的有源区，所述负温度系数波导用于对激光器的正向折射率变化进行补偿，以使光线的波长稳定在预设范围内。
一实施例中，所述激光发射器件采用正温度系数材料的Ⅲ-Ⅴ族化合物制造而成。
一实施例中，所述激光发射器件通过倒焊装或键合的方法与SOI结构中顶层的硅相集成。
一实施例中，所述负温度系数波导的材料为负温度系数的聚合物材料。
一实施例中，所述第一反射结构和/或第二反射结构为反射光栅或反射膜。
一实施例中，所述硅波导包括位于激光发射器件与负温度系数波导之间的第一硅波导、和/或位于第一反射结构与激光发射器件之间的第二硅波导、和/或位于第二反射结构与负温度系数波导之间的第三硅波导。
一实施例中，所述第一硅波导和/或第三硅波导在朝向负温度系数波导的方向上宽度逐渐减小。
一实施例中，所述第一硅波导和/或第三硅波导在与负温度系数波导的界面处呈倒锥形结构。
一实施例中，所述第一硅波导和/或第二硅波导在朝向激光发射器件的方向上宽度逐渐减小。
一实施例中，所述第一硅波导和/或第二硅波导在与激光发射器件的界面处呈倒锥形结构。
本申请具有以下有益效果：
激光发射器件、反射结构等直接集成成于SOI结构顶层硅上，其结构简单，制造方便；
激光发射器件与硅波导界面处能够将光斑模场引入硅波导中，负温度系数波导与硅波导界面处能够将光斑模场引入负温度系数波导中；
激光器具有热不敏感的特征，通过负温度系数波导进行补偿，能调节整个激光器中的折射率在不同的温度下保持不变，激光器的输出波长保持不变。
附图说明
图1是本申请第一实施方式中热不敏感激光器的俯视结构示意图；
图2是本申请第一实施方式中热不敏感激光器的侧视结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分扩大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
本文使用的例如“左”、“右”、“左侧”、“右侧”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“右侧”的单元将位于其他单元或特征“左侧”。因此，示例性术语“右侧”可以囊括左侧和右侧这两种方位。设备可以以其他方式被定向（旋转90度或其他朝向），并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
当元件或层被称为与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当部件被称为 “直接连接在另一部件或层上”时，不能存在中间部件或层。
参图1、图2所示，介绍本申请激光器100的第一实施方式。该激光器100为基于SOI结构的热不敏感激光器，包括SOI结构10、位于SOI结构10上且对应设置的第一反射结构21和第二反射结构22、以及位于SOI结构10上第一反射结构21和第二发射结构22之间的激光发射器件31及由负温度系数材料所构成的负温度系数波导32。SOI结构10包括位于底层的硅衬底（未图示）、中间的绝缘层11及位于顶层的硅12，顶层的硅12在第一反射结构21和第二反射结构22之间形成有硅波导，激光发射器件31与顶层的硅作为激光器的有源区，负温度系数波导32用于对激光发射器件31的正向折射率变化进行补偿，以使光线的波长稳定在预设范围内。
具体地，SOI(Silicon-On-Insulator)是一种用于集成电路制造的新型原材料，替代目前大量应用的体硅(Bulk Silicon)。本实施方式中SOI结构10的顶层是一层硅12(TopSilicon，厚度从200埃到几微米，取决与不同的应用)，用于制造器件；底层是一层依托在硅上的绝缘层。这种绝缘层的材料和硅越接近越好，本实施方式中的绝缘层11为二氧化硅(SiO2)，称为氧化埋层（BOX，Buried Oxide，大约1000-4000埃）。
SOI结构具有体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、拓宽器件工作温度范围，工艺简单、提高抗辐射性能、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势。
激光发射器件31为Ⅲ-Ⅴ族激光发射器件，其采用正温度系数材料的Ⅲ-Ⅴ族化合物制造而成，用于激发形成激光并对光线进行放大；负温度系数波导32采用负温度系数的聚合物材料，用于对激光器的正向折射率变化进行补偿，以使光线的波长稳定在预设范围内。
另外，SOI结构10中顶层的硅12也属于正温度系数材料，其折射率随温度的增大而增大。
本申请中所指的Ⅲ-Ⅴ族化合物为常用的半导体材料，其由在化学周期表里三价元素（例如铝、镓、铟、铊）以及五价元素（例如氮、磷、砷、锑、铋）组成的，例如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等。优选地，本实施方式中的激光发射器件31以InP激光发射器件为例进行说明。
本实施方式中SOI结构10顶层的硅12形成有三个硅波导，包括位于激光发射器件31与负温度系数波导32之间的第一硅波导121、位于第一反射结构21与激光发射器件31之间的第二硅波导122、以及位于第二反射结构22与负温度系数波导32之间的第三硅波导123。
其中，第一硅波导121和第二硅波导122在朝向激光发射器件31的方向上宽度逐渐减小，如本实施方式中第一硅波导121和第二硅波导122在与激光发射器件31界面处呈倒锥形结构。
第一硅波导121和第二硅波导122的尺寸要比激光发射器件31大，有效折射率也比激光发射器件31要高，在界面处的光斑模场主要分布在第一硅波导121和第二硅波导122中，直至光场全部进入SOI结构10顶层的硅12中，光场可以直接在硅波导与激光发射器件之间进行转换。
同时，第一硅波导121和第三硅波导123在朝向负温度系数波导32的方向上宽度逐渐减小，如本实施方式中第一硅波导121和第三硅波导123在与负温度系数波导32界面处呈倒锥形结构。
通过倒锥形结构能够将第一硅波导121和第三硅波导123中的光斑模场引入负温度系数波导32中，进而调节整个结构中的折射率在不同的温度下保持不变，激光器的输出波长保持不变。
本申请中激光器的原理是运用多种材料相结合保证激光器内的光程（光程=折射率*距离）不变，本实施方式在距离一定的情况下就需要保证折射率在不同的温度下保持不变。
设定光在激光发射器件31中所占的能量比为A，激光发射器件31的折射率为n1，T为激光发射器件31的温度，温度系数Δn1=dn1/dT，Δn1＞0；
设定光在负温度系数波导32中所占的能量比为B，负温度系数波导32的折射率为n2，T为负温度系数波导32的温度，温度系数Δn2=dn2/dT，Δn2＜0；
设定光在硅波导（第一硅波导121、第二硅波导122、以及第三硅波导123）中所占的能量比为B，硅波导的折射率为n3，T为硅波导的温度，温度系数Δn3=dn3/dT，Δn2＞0。
根据“折射率在不同的温度下保持不变”可以得出：
A*Δn1+B*Δn2+C*Δn3=0。
因此，本申请中只需选择相应的材料并形成激光发射器件31和负温度系数波导32后，使得温度系数Δn1、Δn2、Δn3和A、B、C满足条件A*Δn1+B*Δn2+C*Δn3=0即可。
满足条件A*Δn1+B*Δn2+C*Δn3=0时，激光器中光线的有效折射率不会发生变化，从而光程不会发生改变。
本申请中通过引入负温度系数波导32，对激光器的正向折射率变化进行补偿，以保证光线在激光器中的有效折射率不变，从而光线在激光器中的光程不会发生改变，使用该激光发射器件和负温度系数波导的激光器的波长不会发生漂移。
进一步地，本实施方式中激光发射器件31通过倒焊装或键合的方法与SOI结构中顶层的硅相集成，来作为激光器的有源区，由于激光发射器件31采用正温度系数材料的Ⅲ-Ⅴ族化合物制造而成，其折射率与顶层硅的折射率相差不大，将SOI结构10的顶层硅做成一个大的波导结构，激光发射器件31作为有源区进行激励，其结构简单，制造方便。
另外，第一反射结构21和第二反射结构22均为在SOI结构上集成的反射光栅，采用光栅作为激光器的反射腔，有利于顶层硅的直接集成，其制备简单，且提高了激光器的集成度。
进一步地，本实施方式中第一反射结构21和第二反射结构22均为反射光栅，反射光栅均集成设于SOI结构10中顶层的硅12上（第一反射结构21集成于第一硅波导121上，第二反射结构22集成于第三硅波导123上），通过两个反射光栅作为反射镜，在两个反射光栅之间形成激光发射器件31、负温度系数波导32、及若干硅波导，最终形成分布式布拉格反射（DBR）激光器，第一反射结构21的反射率能够高于90%，第二反射结构22的反射率能够达到46%左右。
应当理解的是，本实施方式中第一反射结构21和第二反射结构22均为反射光栅，在其他实施方式中也可以采用反射膜结构，此处不再举例进行详细说明。
另外，激光器的发射端（第二反射结构22一端）集成设于第三硅波导123上，提高了激光器的扩展性能，激光器的发射端可直接连接其他结构的光学器件，如AWG（阵列波导光栅器件）、Modulator（调制器）等。
应当理解的是，本申请上述实施方式中的热不敏感激光器以DBR激光器为例进行说明，通过负温度系数波导进行补偿，实现不同温度下保持波长稳定的效果，当然，本申请并不限于DBR激光器中，也可以用于其他激光器或光学元器件中，此处不再一一举例进行说明。
本申请通过上述实施方式，具有以下有益效果：
激光发射器件、反射结构等直接集成成于SOI结构顶层硅上，其结构简单，制造方便；
激光发射器件与硅波导界面处能够将光斑模场引入硅波导中，负温度系数波导与硅波导界面处能够将光斑模场引入负温度系数波导中；
激光器具有热不敏感的特征，通过负温度系数波导进行补偿，能调节整个激光器中的折射率在不同的温度下保持不变，激光器的输出波长保持不变。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述激光器包括SOI结构、位于SOI结构上且对应设置的第一反射结构和第二反射结构、以及位于SOI结构上第一反射结构和第二发射结构之间的激光发射器件及负温度系数波导，所述SOI结构包括位于底层的硅衬底、中间的绝缘层及位于顶层的硅，顶层的硅在第一反射结构和第二反射结构之间形成有硅波导，所述激光发射器件作为激光器的有源区，所述负温度系数波导用于对激光器的正向折射率变化进行补偿，以使光线的波长稳定在预设范围内。
2.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述激光发射器件采用正温度系数材料的Ⅲ-Ⅴ族化合物制造而成。
3.根据权利要求2所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述激光发射器件通过倒焊装或键合的方法与SOI结构中顶层的硅相集成。
4.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述负温度系数波导的材料为负温度系数的聚合物材料。
5.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述第一反射结构和/或第二反射结构为反射光栅或反射膜。
6.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述硅波导包括位于激光发射器件与负温度系数波导之间的第一硅波导、和/或位于第一反射结构与激光发射器件之间的第二硅波导、和/或位于第二反射结构与负温度系数波导之间的第三硅波导。
7.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述第一硅波导和/或第三硅波导在朝向负温度系数波导的方向上宽度逐渐减小。
8.根据权利要求7所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述第一硅波导和/或第三硅波导在与负温度系数波导的界面处呈倒锥形结构。
9.根据权利要求1所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述第一硅波导和/或第二硅波导在朝向激光发射器件的方向上宽度逐渐减小。
10.根据权利要求9所述的基于SOI结构的热不敏感激光器，其特征在于，所述第一硅波导和/或第二硅波导在与激光发射器件的界面处呈倒锥形结构。
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