CN109921282B

CN109921282B - 一种soi混合集成激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN109921282B
Application number: CN201910290375.9A
Authority: CN
Inventors: 常江; 宋泽; 张奇; 吕康伟; 唐山; 熊焰
Original assignee: Guanglian Xuntong Technology Group Co Ltd
Current assignee: Guanglian Xuntong Technology Group Co Ltd
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: CN109921282A

Abstract

一种SOI混合集成激光器，包括：SOI衬底、在SOI衬底两侧相对设置、且用于形成反射腔的反射结构；以及位于反射结构之间的三五族有源区波导。通过在SOI衬底上制作的一维光子晶体波导实现三五族有源区波导与SOI衬底的硅波导层之间的耦合转换，并利用光子晶体的圆孔填充负折射率温度系数的聚合物材料，实现整体的折射率稳定，不随温度变化而改变，不需要使用TEC来控制温度，可极大降低了光模块/光器件的功耗，减小器件封装空间，有利于光器件通道速率扩容，便于全光互联技术的实现。

Description

一种SOI混合集成激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于光通信领域，尤其与一种SOI混合集成激光器及其制备方法有关。

背景技术

随着5G、云计算、大数据中心的兴起，数据中心流量和带宽成指数级增长，根据思科预测，全球数据中心IP流量将从2015年的每年4.7ZB增长到2020年每年15.3ZB，年复合增长率约为27%。市场上对光模块的速率要求越来越高，目前40Gbps、100Gbps光网络已经开始全面商用，400Gbps或800Gbps光通信系统也开始出工程样品。光模块的小型化、高度集成要求越来越高，通讯协议中的LAN-WDM波长要求5nm间隔，对TOSA端激光器发射芯片波长温漂要求很高。

光器件厂商通常会在TOSA中封装一个TEC来实现恒温，从而控制DFB芯片的波长稳定。但由于封装空间有限，TEC、热敏电阻等元件的引入占用了很大一部分器件封装空间，加大了封装的难度，也更加不利于器件小型化的发展趋势。

另一个方面，光器件封装中，硅光的光互联是未来发展的主流趋势，但是硅材料是间接带隙，用作光源时发光效率很低，限制了全光互联的发展；三五族材料用作光源已经很成熟。将三五族与硅材料做混合集成用来发展全光互联是大趋势，同时不同材料之间的混合集成也是一个急需解决的难题。

发明内容

针对上述现状，本发明提供一种SOI混合集成激光器及其制备方法，通过在SOI衬底上制作的一维光子晶体波导实现三五族有源区波导与SOI衬底的硅波导层之间的耦合转换，并利用光子晶体的圆孔填充负折射率温度系数的聚合物材料，实现整体的折射率稳定，不随温度变化而改变，可极大降低了光模块/光器件的功耗，减小器件封装空间，有利于光器件通道、速率的扩容，便于全光互联技术的实现。

为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：

一种SOI混合集成激光器，包括：SOI衬底、在SOI衬底两侧相对设置、且用于形成反射腔的反射结构；以及位于反射结构之间的三五族有源区波导，其特征在于：

在所述SOI衬底顶层形成有一维光子晶体波导，用以实现三五族有源区波导与SOI衬底的硅波导层的耦合传输，

在所述一维光子晶体波导的圆孔中设有负折射率温度系数填充料，

所述三五族有源区波导位于一维光子晶体波导的指定位置，作为激光器有源区泵浦。

进一步，所述一维光子晶体波导，是在SOI衬底顶层的硅波导层通过曝光显影刻蚀形成。

进一步，负折射率温度系数填充料在圆孔中填充后，做曝光处理。

进一步，负折射率温度系数填充料为负折射率温度系数的聚合物材料。

进一步，反射结构为反射膜或反射光栅。镀反射膜时可以单独用作激光器结构；做成反射光栅时，可以直接做硅光集成，用于全光互联结构。

进一步，所述的反射结构，其中一个的反射系数大于90%，另一个的反射系数为43%~50%。

一种SOI混合集成激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在SOI衬底顶层的硅波导层上采用曝光显影刻蚀形成一维光子晶体波导；

S2、在一维光子晶体波导的圆孔中填充负折射率温度系数的聚合物材料，并做曝光处理；

S3、将三五族有源区波导倒装焊于一维光子晶体波导的指定位置以形成泵浦源；

S4、在SOI衬底两侧相对设置反射结构以形成反射腔。

上述技术方案的有益效果在于：

在SOI衬底上混合集成了一维光子晶体波导、负折射率温度系数的聚合物材料填充物、三五族有源区波导，不仅有效解决了耦合传输问题，而且实现了激光器的热不敏感，在温度变化时，激光器光波长输出稳定不变，不需要使用TEC来控制温度，能大大降低模块的功耗，减小器件封装空间，有利于光器件扩容封装，具体的：

1、有源区的光束会经过光子晶体波导的渐变结构进入SOI顶层一维光子晶体波导中，由于光子晶体波导折射率是渐变结构，不会对光束有强烈的反射及损耗，这样可以将三五族材料泵浦的能量传递到SOI衬底的硅波导中，有效实现三五族有源区波导与SOI衬底的硅波导的耦合传输；

2、利用一维光子晶体波导的圆孔填充负折射率温度系数的聚合物材料，当外界环境温度升高时，三五族有源区波导与SOI顶层光子晶体硅波导的折射率随之升高，会导致波长红移；而聚合物材料的折射率会随之降低，导致波长蓝移。整个系统的折射率会相对不变，从而达到稳定波长的功能。

本发明采用的曝光、刻蚀等为半导体芯片行业成熟的工艺流程，生产流片兼容性好；本发明有利于硅光集成，可以很容易将SOI上其他光学元件与之集成在一起处理传输信号。

附图说明

图1示出了本发明的结构示意图一（立体图）。

图2示出了本发明的结构示意图二（俯视图）。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1~2所示，一种SOI混合集成激光器，包括SOI衬底1、在SOI衬底1两侧相对设置、且用于形成反射腔的反射结构5、位于反射结构5之间的三五族有源区波导2。

具体的，反射结构5为反射膜或反射光栅。

所述的反射结构5，其中一个的反射系数大于90%，另一个的反射系数为43%~50%。

在所述SOI衬底1顶层的硅波导层11通过曝光显影刻蚀形成有一维光子晶体波导3，用以实现三五族有源区波导2与SOI衬底1的硅波导层11的耦合传输，进行光斑的传输转换，同时为填充提供孔隙。

在所述一维光子晶体波导3的圆孔31中设有负折射率温度系数填充料4，且在负折射率温度系数填充料4在圆孔31中填充后，做曝光处理，形成稳定结构之后，做折射率补偿用。具体的，负折射率温度系数填充料4为负折射率温度系数的聚合物材料。

所述三五族有源区波导2位于一维光子晶体波导3的指定位置，作为激光器有源区泵浦。

通过上述方案，实现了在SOI衬底上有效的混合集成一维光子晶体波导、负折射率温度系数的聚合物材料填充物、三五族有源区波导。

一种SOI混合集成激光器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在SOI衬底1顶层的硅波导层11上采用曝光显影刻蚀形成一维光子晶体波导3；

S2、在一维光子晶体波导3的圆孔31中填充负折射率温度系数的聚合物材料4，并做曝光处理；

S3、将三五族有源区波导2倒装焊于一维光子晶体波导3的指定位置以形成泵浦源；

S4、在SOI衬底1两侧相对设置反射结构5以形成反射腔。

具体的，反射腔的形成，可以在最终Bar条两边磨平镀两种反射率的反射膜，形成整个激光器的反射腔，或者用于硅光全光互联时，直接做成一维光子晶体光栅或者其他光栅实现激光器腔的反射层。

具体的，激光器腔两边镀反射结构，一侧高反膜，反射率在90%以上，另一侧出光面反射率较低在43%~50%。

工作机理及过程：

首先通过加电对有源区波导进行泵浦产生激光，光束会进入光子晶体波导中传输，遇到激光器左右两边反射腔时，会反射回波导中继续传输，通过反复泵浦达到泵浦输出极限，激光会从反射率低的那一侧波导端面输出。

有源区的光束会经过光子晶体波导的渐变结构进入SOI顶层一维光子晶体中，由于光子晶体波导折射率是渐变结构，不会对光束有强烈的反射及损耗，这样可以将三五族材料泵浦的能量传递到SOI硅波导中。

同时，光子晶体波导的孔内填充的是负折射率温度系数的材料，主要用来做温度补偿作用。外界环境温度升高时，有源区三五族波导与SOI顶层光子晶体硅波导的折射率随之升高，会导致波长红移；而聚合物材料的折射率会随之降低，导致波长蓝移。整个系统的折射率会相对不变，从而达到稳定波长的功能。

激光器腔的两面可以镀膜、做光子晶体光栅、其他结构光栅等，实现反射率的要求。如果做成光栅结构就可以实现全光互联，与其他硅光元件在SOI上实现集成。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种SOI混合集成激光器，包括：

SOI衬底（1）；

在所述SOI衬底（1）两侧相对设置的反射结构（5），用于形成反射腔；以及

位于所述反射结构（5）之间的三五族有源区波导（2），其特征在于：

在所述SOI衬底（1）顶层形成有一维光子晶体波导（3），

在所述一维光子晶体波导（3）的圆孔（31）中设有负折射率温度系数填充料（4），

所述三五族有源区波导（2）位于所述一维光子晶体波导（3）的指定位置，作为激光器有源区泵浦。

2.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：一维光子晶体波导（3），是在SOI衬底（1）顶层的硅波导层（11）通过曝光显影刻蚀形成。

3.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：负折射率温度系数填充料（4）在圆孔（31）中填充后，做曝光处理。

4.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：负折射率温度系数填充料（4）为负折射率温度系数的聚合物材料。

5.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：反射结构（5）为反射膜或反射光栅；做成反射膜时，可单独用作激光器结构；做成反射光栅时，可直接做硅光集成，用于全光互联结构。

6.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：所述的反射结构（5），其中一个的反射系数大于90%，另一个的反射系数为43%~50%。

7.根据权利要求1所述的SOI混合集成激光器，其特征在于：一维光子晶体波导（3），用以实现三五族有源区波导（2）与SOI衬底（1）的硅波导层（11）的耦合传输。

8.一种SOI混合集成激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在SOI衬底（1）顶层的硅波导层（11）上采用曝光显影刻蚀形成一维光子晶体波导（3）；

S2、在一维光子晶体波导（3）的圆孔（31）中填充负折射率温度系数的聚合物材料（4），并做曝光处理；

S3、将三五族有源区波导（2）倒装焊于一维光子晶体波导（3）的指定位置以形成泵浦源；

S4、在SOI衬底（1）两侧相对设置反射结构（5）以形成反射腔。

9.根据权利要求8所述的SOI混合集成激光器的制备方法，其特征在于，一维光子晶体波导（3），用以实现三五族有源区波导（2）与SOI衬底（1）的硅波导层（11）的耦合传输。

10.根据权利要求8所述的SOI混合集成激光器的制备方法，其特征在于，反射结构（5）为反射膜或反射光栅，其中一个反射结构（5）的反射系数大于90%，另一个的反射系数为43%~50%。