CN113193468B - 基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，包括：承托基板，承托基板上设有N个电极；N个半导体激光器，半导体激光器上的裸芯片分别通过引线与对应的电极键合；光波导合波结构，光波导合波结构从上至下依次包括波导层、反射介质层和键合层；波导层上具有波导路线图案，波导路线图案上包括N个入光口和1个出光口，且N个入光口与N个半导体激光器上的裸芯片的出光点一一对应；盖盒。本发明还提供了两种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制造方法。本发明提供的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，通过在晶圆上直接刻蚀的方法制备大口径波导，大大减小激光耦合难度，大大减小器件体积。
Description
技术领域
本发明涉及合波器技术领域，具体涉及一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块及制造方法。
背景技术
随着技术的不断发展，传统非集成的离散光学元件系统由于其体积大、重量大、稳定性差、光束耦合对准难度大等不足，已逐渐难以适应当代信息光电子技术的发展需要。过去十几年，基于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)、铌酸锂材料、硅基二氧化硅平台等光子集成发展迅速，其关键在于大面积衬底与成熟的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，因此可以以较低的成本大批量制备集成光子器件。传统光通信领域中，采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上形成集成光路，以此形成的集成光学器件具有成本低、体积小、效率高、功耗低、性能稳定可靠、便于大批量生产、易于集成等突出优点，因此基于半导体工艺的集成化及微型化的光学集成系统必将是未来光电子信息器件的发展趋势。
鉴于多波长微型激光光源在光通信，微显示，医疗诊断，眼科治疗等领域均有诸多应用，近年来得到越来越多的关注。其中光合波器作为光集成电路中的重要光学元件，目前最常见的合波器有光纤熔融拉锥合波器、空间光合波器以及平面光波导型(PlanarLightwave Circuit,简称PLC)合波器。而光纤熔融拉锥合波器的结构相对简单，但是体积庞大，且由于存在轴向损耗，所以在合波效率方面存在一定的问题；空间光合波器结构复杂，调整难度大，对器件的要求偏高，同时对环境稳定性的要求也很高，以至于成本整体偏高并且体积较大；而一般PLC合波器则因为沉积工艺限制，很难制备出高效率大通道波导，耦合难度极大。
专利CN102967898A中公开了一种基于Y型弯曲结构的波导集成光子晶体合波器，其采用三角晶格介质背景空气孔结构的铌酸锂光子晶体，通过在同一光子晶体板上将Y型结构和两个60°弯曲波导集成实现合波功能，通过改变Y型结构和弯曲波导拐角处的空气孔位置和半径来提高整体合波效率，此方法理论上的得到的合波器效率极高，但是其介质孔径多在纳米级别，微纳米加工难度大，成本高。
专利CN111465879A中公开了一种多波长光源模块及合波器的制备方法，该方法主要通过沉积绝缘层，波导层再刻蚀的方法制备合波器，由于沉积工艺的限制，波导尺寸很难超过10μm，增大了光源耦合对准的难度。
为了解决上述问题，本申请人提出基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块及制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，通过在光波导合波结构上的波导层上直接刻蚀的方法制备大口径波导，大大减小激光耦合难度，并且通过去除耦合透镜直接耦合的方式还可以大大减小器件体积。
为达到上述发明的目的，本发明的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，包括：
承托基板，所述承托基板为绝缘材料，所述承托基板上设有N个电极；
N个半导体激光器，N个所述半导体激光器固定在所述承托基板上，且所述半导体激光器上的裸芯片分别通过引线与对应的电极键合；该N个半导体激光器内的裸芯片波长可相同或不同，相同波长半导体激光器裸芯片可形成功率的累加使用，多波长激光满足多场景应用，如眼科手术，舞台灯等。
光波导合波结构，所述光波导合波结构位于所述承托基板上，所述光波导合波结构从上至下依次包括波导层、反射介质层和键合层，所述键合层的材质为Si；
所述波导层上具有波导路线图案，所述波导路线图案上包括N个入光口和1个出光口，且N个所述入光口与N个所述半导体激光器上的裸芯片的出光点一一对应；所述波导路线图案至少有一面与所述反射介质层接触，其余部分与空气直接接触形成较大折射率差，一般玻璃折射率大于1，空气折射率最小是1，所以正常情况下任何介质跟空气折射率差是最大的，由此使光线在波导与空气接触界面发生全反射；
盖盒，所述盖盒用于密封N个所述半导体激光器；所述盖盒包含一个透明窗口，所述透明窗口与所述波导路线图案上的出光口对应，使得光波导合波结构内传输的激光出射；
其中，N为≥1的整数，且以上N为同一数值；对应，指激光出与入的对应。
在一种实施例中，所述承托基板的上表面固定N个半导体激光器的区域设有凹槽，所述凹槽的表面设有一层金属层，用于将N个半导体激光器焊接在凹槽上。
在一种实施例中，所述光波导合波结构的底部还设有固定基板，所述光波导合波结构通过底部的固定基板通过焊接或者胶装的方式固定在所述承托基板上。
具体地，所述承托基板的材质为Si或AlN；所述波导层的材质为可见光波段透过率大于80％的玻璃、石英或树脂，如型号为BK7玻璃、SF11玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯；所述反射介质层的材质为在可见光波段反射率高于40％的金属，如Si、Zn、Ge、Ag、Al等；或在可见光波段反射率高于40％的合金，如Al-Ti合金等；或光学反射介质膜，如TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、ITO、MgF2、ZnO、YbF3、ZrO2等；或其他折射率低于波导层的透光材料。
本发明的另一目的在于提供一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制造方法，包括以下步骤：
S1、包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板的制备：在玻璃晶圆或石英晶圆打磨抛光后在下表面通过沉积工艺沉积反射介质层；然后在上述反射介质层表面及承托基板表面沉积金属键合层或涂覆键合树脂；之后再通过金属键合或树脂键合工艺形成包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板；
S2、晶圆打磨：打磨并抛光上述多层复合基板中玻璃晶圆或石英晶圆上表面，使得波导层厚度满足所需波导路厚度需求；
S3、波导路线图案刻蚀：在晶圆上表面涂覆抗试剂，光刻、显影形成波导路线图案、刻蚀，去除抗试剂；
S4、金属层沉积：在承托基板的相应位置上生成激光器焊接层及电极层；
S5、半导体激光器焊接：使得半导体激光器上的裸芯片的出光点与波导路线图案上的N个入光口中心一一对应焊接在承托基板上，将半导体激光器上的裸芯片与承托基板上的电极用引线键合；
S6、盖盒安装：盖盒在承托基板上的安装方式为胶装或焊接，盖盒内填充有干燥空气或惰性气体。
具体地，在步骤S1中，所述沉积工艺为等离子体化学气象沉积或物理气象沉积。
具体地，在步骤S2中，经过打磨后的波导路线图案的厚度为3μm～200μm。
具体地，在步骤S2中，经过打磨后的波导路线图案的厚度为10μm～100μm。
本方法波导层选用一体成型晶圆刻蚀形成光波导路，与目前光波导采用先沉积波导层再刻蚀的方法相比，波导层材质更均匀，并且容易刻蚀出高效率大通道波导利于光线传输，。
本发明的第三个目的在于提供另一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制造方法，包括以下步骤：
A1、包含金属层的承托基板的制备：在承托基板生成含有金属电极，该金属电极为生成于基板表面的平面线状电极或导通承托基板上表面及下表面的柱柱状电极；或使用玻璃基板或硅基板制备含金属化层的承托基板：通过刻蚀及沉积工艺制备含金属电极的承托基板；
A2、光波导合波结构制备：通过键合、沉积制备包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板，再通过打磨、刻蚀制备含有波导路线图案的光波导合波结构，最后通过切割、打磨合波器波导入光口及出光口，在入光口及出光口镀增透膜；
A3、半导体激光器，光波导合波结构安装：将半导体激光器裸芯片及光波导合波结构分别通过金属焊接和胶装的方式固定在承托基板的相应位置，使得半导体激光器裸芯片出光点与光波导合波结构的入光口中心一一对应，再用金线键合半导体激光器上的裸芯片及承托基板上的金属电极；
A4、盖盒安装：盖盒在承托基板上的安装方式为胶装或焊接，盖盒内填充有干燥空气或惰性气体。
本方法将光波导合波结构与承托基板分开制备，虽然一定程度上增大了器件体积，但是分体工艺相对于集成化工艺良率更高，节约了成本。
本发明基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块及制造方法，与现有技术相比，还具有以下优点：
(1)可制备小口径及大口径的单模和多模PLC合波器件，应用范围极广；
(2)上述两种方法均在光波导合波结构的波导层上直接刻蚀形波导路线图案成直接刻蚀形成波导，与沉积波导层再刻蚀的技术相比，材质均匀性更高，光传输损耗更小；
(3)通过激光器到波导的直接耦合而非通过透镜耦合的方式，降低了安装工艺难度及器件体积；
(4)引用成熟的半导体刻蚀工艺可进行批量制备，大大节约了时间成本及工艺成本；
(5)在硅或玻璃基晶圆上直接生成波导路及金属电极的方式有利于后续与光敏检测二极管(PD)，波导光栅等功能性有源及无源光电子器件的集成，为多功能微型化集成光电子器件的发展奠定了一定的基础。
附图说明
图1为实施例1中制备的含盖盒的半导体激光光源模块的结构示意图；
图2为实施例1中去除盖盒后的半导体激光光源模块的内部结构示意图；
图3为实施例1中波导路线图案结构的截面示例图；
图4为实施例1中波导路线图案刻蚀的工艺流程图；
图5为实施例1中完成半导体激光器凹槽刻蚀后的复合基板；
图6为实施例1中生成电极结构后的复合基板；
图7为实施例2中制备的含盖盒的半导体激光光源模块的结构示意图；
图8为实施例2中去除盖盒后的半导体激光光源模块的内部结构示意图；
图9为实施例2中电极结构生成示意图；
图10为实施例2中制备的光波导结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
第一种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制造方法，包括以下步骤：
S1、承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板的制备：将BK7玻璃晶圆打磨抛光，然后后在下表面通过等离子体化学气象沉积法沉积高反射介质薄膜(反射率＞99％)；然后在上述反射介质层表面及承托基板表面涂覆键合环氧树脂，之后再通过树脂键合工艺形成包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板，其中承托基板的材质为Si；
S2、晶圆打磨：打磨并抛光上述多层复合基板中玻璃晶圆表面，使得波导层厚度25±5μm；
S3、波导路线图案刻蚀：利用半导体制造工艺制备平面光波导合波结构如图3所示，其中1为承托基板，2为波导层上的波导路线，3为波导层上不导光部分(可保留或刻蚀去除)，9为反射介质层，10为键合层。首先在玻璃晶圆上表面涂覆一层第一抗蚀剂掩膜(此处抗腐蚀剂掩膜为光刻胶，目的是通过紫外光曝光后并显影后形成图案，为后续玻璃刻蚀提供掩膜，针对不同的刻蚀材料及刻蚀工艺，抗腐蚀剂的成分也会有所不同，此为半导体工艺中常用材料，不做详细表述)，再通过曝光、显影光刻工艺形成波导路图案，再通过干法刻蚀生成波导路线图案，去除第一抗试剂，生成具有特定结构的光波导合波结构(其截面为25μm×25μm)，其生成流程如图4所示；
S3、半导体激光器凹槽刻蚀：在复合基板上表面涂覆第二抗蚀剂掩膜，再通过光刻，刻蚀工艺生成半导体激光器凹槽，最后去除第二抗蚀剂，如图5所示；
S4、金属层沉积：该步骤主要用于生成半导体激光器的焊接层及电极层，在上述复合基板上表面沉积金属层，再涂覆第三抗蚀剂掩膜，光刻，金属刻蚀后生成半导体激光器凹槽焊接层及电极结构，如图6所示，其中7为电极结构，11为焊接层；
S5、半导体激光器焊接：使得半导体激光器的裸芯片出光点与波导路线图案上的N个入光口中心一一对应焊接在承托基板上，将激光器与基板上的电极用引线键合生成图2所示的激光系统，其中半导体激光器4的裸芯片为波长635nm，半导体激光器5的裸芯片波长为520nm,半导体激光器6的裸芯片波长450nm；
S6、盖盒安装：该盖盒的作用主要在于密封半导体激光器，避免其与空气直接接触损坏激光器或降低半导体激光器使用寿命，该盖盒包含一个透明窗口，所述透明窗口与所述波导路线图案上的出光口对应，使得光波导合波结构内传输的激光出射；该盖盒材质为不透明树脂材料通过3D打印制成，该盖盒安装在承托基板上的安装方式可以为胶装，盖盒内填充有氮气。
按照上述方法制备的多波长半导体激光光源模块如图1和图2所示，包括承托基板1，光波导合波结构2，波导层3，半导体激光器4、5、6以及金属电极7、8。
工作原理：该模块三个半导体激光器发出的光分别通过对应波导入光口进入光波导路，通过光波导路的引导使三种不同波长的激光从同一个波导出光口出射，以此达到合波合流的目的，此结构省略了耦合透镜通过直接耦合的方式使激光导入光波导，极大地小了器件体积。
制得半导体激光光源模块的体积为2.8×4×1mm，根据Light tools软件模拟，635nm波长通道传输效率为99.205％，520nm波长通道传输效率为99.19％，450nm波长通道传输效率为98.675％，受加工工艺影响(波导刻蚀表面，镀膜均匀性，半导体激光器裸芯片安装对准等)最终制得器件三通道传输效率分别为82.7％，82％及80.8％，但随着工艺技术的改进，这一效率仍有较大提升空间。
实施例2
第二种基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制造方法，包括以下步骤：
A1、含金属层的硅基承托基板的制备：如图9所示，首先通过刻蚀工艺在硅基板12上生成电极凹槽18及光波导合波结构安装槽17，再通过沉积及刻蚀工艺生成激光器焊接金属膜层19及电极膜层16；
A2、光波导合波结构制备：通过键合、沉积工艺制备包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板，再通过打磨、刻蚀制备含有波导路线图案的光波导合波结构，使得波导层厚度60±5μm；最后通过切割、打磨光波导合波结构的入光口及出光口，在入光口及出光口镀增透膜生成具有高传输效率的光波导合波结构如图10；
A3、半导体激光器，光波导合波结构安装：将半导体激光器通过金属焊接、光波导合波结构通过紫外胶胶装装的方式固定在硅基板的相应位置，使得激光激光器出光点与光波导合波结构的入光口中心一一对应，再用引线键合半导体激光器芯片及承接基板上的金属电极，形成如图7、图8所示的半导体激光光源模块。该半导体激光光源模块包含两个半导体激光器14、15，波长分别为638nm及520nm
盖盒安装：同实施例一。
制得激光光源模块体积为2×3×1.5mm，根据Light tools软件模拟，638nm波长通道传输效率为99.4％，520nm波长通道传输效率为99％，受加工工艺影响(波导刻蚀表面，镀膜均匀性，半导体激光器裸芯片安装对准等)最终制得器件三通道传输效率分别为83％，81.7％，但随着工艺技术的改进，这一效率仍有较大提升空间。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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专利的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，包括：
承托基板，所述承托基板为绝缘材料，所述承托基板上设有N个电极；
N个半导体激光器，N个所述半导体激光器固定在所述承托基板上，且所述半导体激光器上的裸芯片分别通过引线与对应的电极键合；
光波导合波结构，所述光波导合波结构位于所述承托基板上，所述光波导合波结构从上至下依次包括波导层、反射介质层和键合层；所述键合层的材质为Si；
所述波导层上刻蚀有波导路线图案，所述波导路线图案上包括N个入光口和1个出光口，且N个所述入光口与N个所述半导体激光器上的裸芯片的出光点一一对应；所述波导路线图案至少有一面与所述反射介质层接触，其余部分与空气直接接触；
盖盒，所述盖盒用于密封N个所述半导体激光器；所述盖盒包含一个透明窗口，所述透明窗口与所述波导路线图案上的出光口对应，使得光波导合波结构内传输的激光出射；
所述基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制备工艺，包括以下步骤：
S1、包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板的制备：在玻璃晶圆或石英晶圆打磨抛光后在下表面通过沉积工艺沉积反射介质层；然后在上述反射介质层表面及承托基板表面沉积金属键合层或涂覆键合树脂；之后再通过金属键合或树脂键合工艺形成包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板；
S2、晶圆打磨：打磨并抛光上述多层复合基板中玻璃晶圆或石英晶圆上表面，使得波导层厚度满足所需波导路厚度需求；
S3、波导路线图案刻蚀：在晶圆上表面涂覆抗试剂，光刻、显影形成波导路线图案、刻蚀，去除抗试剂；
S4、金属层沉积：在承托基板的相应位置上生成激光器焊接层及电极层；
S5、半导体激光器焊接：使得半导体激光器上的裸芯片的出光点与波导路线图案上的N个入光口中心一一对应焊接在承托基板上，将半导体激光器上的裸芯片与承托基板上的电极用引线键合；
S6、盖盒安装：盖盒在承托基板上的安装方式为胶装或焊接，盖盒内填充有干燥空气或惰性气体；
或，
所述基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块的制备工艺，包括以下步骤：
A1、包含金属层的承托基板的制备：在承托基板生成含有金属电极，该金属电极为生成于基板表面的平面线状电极或导通承托基板上表面及下表面的柱柱状电极；或使用玻璃基板或硅基板制备含金属化层的承托基板：通过刻蚀及沉积工艺制备含金属电极的承托基板；
A2、光波导合波结构制备：通过键合、沉积制备包含承托基板、键合层、反射介质层及波导层的多层复合基板，再通过打磨、刻蚀制备含有波导路线图案的光波导合波结构，最后通过切割、打磨合波器波导入光口及出光口，在入光口及出光口镀增透膜；
A3、半导体激光器，光波导合波结构安装：将半导体激光器裸芯片及光波导合波结构分别通过金属焊接和胶装的方式固定在承托基板的相应位置，使得半导体激光器裸芯片出光点与光波导合波结构的入光口中心一一对应，再用金线键合半导体激光器上的裸芯片及承托基板上的金属电极；
A4、盖盒安装：盖盒在承托基板上的安装方式为胶装或焊接，盖盒内填充有干燥空气或惰性气体。
2.根据权利要求1所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，所述承托基板的上表面固定N个半导体激光器的区域设有凹槽，所述凹槽的表面设有一层金属层，用于将N个半导体激光器焊接在凹槽上。
3.根据权利要求1所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，所述光波导合波结构的底部还设有固定基板，所述光波导合波结构通过底部的固定基板通过焊接或者胶装的方式固定在所述承托基板上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，所述承托基板的材质为Si或AlN；所述波导层的材质为可见光波段透过率大于80％的玻璃、石英或树脂；所述反射介质层的材质为在可见光波段反射率高于40％的金属、在可见光波段反射率高于40％的合金、光学反射介质膜或其他折射率低于波导层的透光材料。
5.根据权利要求4述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，所述波导层的材质为型号为BK7玻璃、SF11玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯；所述反射介质层的材质为TiO2、SiO2、Ta2O5、Al2O3、ITO、Si、Zn、MgF2、ZnO、Ge、YbF3、ZrO2、Ag、Al或Al-Ti合金；所述键合层的材质为Si。
6.根据权利要求1所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，在步骤S1中，所述沉积工艺为等离子体化学气象沉积或物理气象沉积。
7.根据权利要求1或6所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，在步骤S2中，经过打磨后的波导路线图案的厚度为3μm～200μm。
8.根据权利要求7所述的基于平面波导型合波器的半导体激光光源模块，其特征在于，在步骤S2中，经过打磨后的波导路线图案的厚度为10μm～100μm。
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