CN113381297A - 一种集成光学复合基板 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种集成光学复合基板，所述集成光学复合基板包括：垂直腔面发射激光器(1)以及覆盖于所述垂直腔面发射激光器顶面上的光调制层(2)，在所述垂直腔面发射激光器(1)的顶部开设贯穿顶面的出光孔(3)，在所述出光孔(3)内填充有光传输层(4)，其中，由所述垂直腔面发射激光器(1)出射的光在光调制层(2)中入射角的角度为目标预设角度，从而直接在光调制层内对入射光进行调制，进而免于增加额外光学器件，降低光学系统的复杂程度，提高光利用率，减小光学系统的体积。

Description

一种集成光学复合基板
技术领域
本申请属于功能性半导体材料领域，特别涉及一种集成光学复合基板。
背景技术
用于实现光调制的装置称为光调制器，根据调制机理光调制器主要包括电光调制器、声光调制器、磁光调制器和波导型光调制器，其中，波导型光调制器进行调制的常用方法为通过光纤耦合方式将载波光波耦合到电光材料，如铌酸锂中后再进行调制，这种光调制方法工艺复杂，所用集成设备体积大，给下游应用造成不便。
半导体激光器作为一种新型光源，由于其体积小、功率高、寿命长、使用方便等优点受到广泛青睐。半导体激光器主要包括边发射激光器和垂直腔面发射激光器。图1示出一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图，如图1所示，垂直腔面发射激光器整体为圆柱体，其由底至顶可以依次包括底电极11、衬底12、N-DBR 13(分散式布拉格反射层)、多量子势阱-有源层14、P-DBR15和上电极16，每层的厚度均匀，在所述上电极16的中心开设有出光孔3，所述出光孔3的中心轴与垂直腔面发射激光器的中心轴重合，所述垂直腔面发射激光器所发出的激光通过所述出光孔3而射出，基于此，可称所述出光孔3的孔口面为出射顶面。由于垂直腔面发射激光器具有较大的出光孔，因此，输出光束的发散角较小，有效提高光纤耦合的效率，这些优点使垂直腔面激光器在光存储、光通信领域具有广泛的应用。
现有技术中，将半导体激光器与光调制器的集成，尤其对于垂直腔面发射激光器与光调制器的集成已成为热门的研发方向。但是，由于垂直腔面发射激光器所发出的光波沿垂直于光轴方向振荡，难以与设置于垂直腔面发射激光器出光孔前端的电光材料耦合，导致难以实现对该激光器射出射的激光进行调制。
发明内容
为解决有源光调制工艺复杂，并且所用集成设备体积大的问题，本申请提供一种集成光学复合基板，所述系统包括垂直腔面发射激光器以及设置于所述垂直腔面发射激光器出射面上的光调制件，并且，在所述垂直腔面发射激光器的光通道中设置有光传输层，从而，调整光传输通道与光调制层接触界面的角度，使得激光能够以可耦合的角度入射耦合到光调制层中。
本申请的目的在于提供一种集成光学复合基板，所述集成光学复合基板包括：垂直腔面发射激光器1以及覆盖于所述垂直腔面发射激光器顶面上的光调制层2，在所述垂直腔面发射激光器1的顶部开设贯穿顶面的出光孔3，在所述出光孔3内填充有光传输层4，其中，由所述垂直腔面发射激光器1出射的光入射至光调制层2中入射角的角度为目标预设角度。
本申请通过在所述出光孔3中设置所述光传输层4，利用所述光传输层4将垂直腔面发射激光器所发出的激光沿特定方向传播并耦合至光调制层2，使得所述激光在所述光调制层2进行调制。
在一种可实现的方式中，所述光调制层2的入射面为斜面，使得由垂直腔面激光发射器发出的激光在所述光调制层中的入射角为目标预设角度。
在一种可实现的方式中，在所述光传输层4中嵌入有光传输通道5，所述光传输通道5贯穿于所述光传输层4并且与光调制层2的入射面连接，本申请人发现，由垂直腔面发射激光器所发出的激光在所述光传输通道5中更容易穿透，从而提高光效率。
在一种可实现的方式中，所述光传输通道5的折射率小于光调制层2的折射率，使得激光易于由所述光传输通道5折射至所述光调制层2。
在一种可实现的方式中，所述光传输通道5的直径由所述出光孔3的底面向光调制层入射面逐渐减小，并且，所述光传输通道5在所述光调制层2入射面上的切线与所述光调制层2的入射面之间具有第一预设角度，使得激光经过所述光传输通道5后能够以目标预设角度，即，可耦合的角度入射至所述光调制层2，从而使出射的激光能够直接与光调制层2进行耦合。
可选地，所述光传输通道5的形状包括斜圆锥形、斜圆台形、斜面圆锥体以及斜面圆台形，其中，圆台的上底面直径小于下底面直径，使得激光经过所述光传输通道5后汇聚，并以目标预设角度入射至光调制层。
进一步地，所述出光孔3与所述光传输通道5的形状相似，从而减少由垂直腔面激光发生器出射的激光在光传输层4中的泄露。
在一种可实现的方式中，在所述光传输层4与所述光调制层2之间设置有高透层6，以便增加激光发射器所发出光在光传输层与光调制层界面的透射率。
在一种可实现的方式中，在所述光传输通道5的外周面上设置有反射层7，从而将由垂直腔面发射激光器出射的激光限制于所述光传输通道5中，避免激光泄露，进而提高光效率。
在一种可实现的方式中，所述垂直腔面发射激光器1包括上电极16，在所述上电极16的上表面设置有绝缘层8，所述出光孔3贯穿于所述上电极16以及绝缘层8，所述绝缘层8能够使得垂直激光发射器内部所激发出来的激光只能通过出光孔出射。
在一种可实现的方式中，用于制造所述光调制层2的材料包括铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜；和/或，用于制造所述光传输层4的材料包括硅和氮化硅；和/或用于制造所述光传输通道5的材料包括硅和氮化硅。
与现有技术相比，本申请提供的集成光学复合基板在垂直腔面发射激光器的光传输通道中设置绝缘层以及光传输层，将垂直腔面发射激光器内部所发出光限制于所述光传输通道中，并通过调整光传输层的结构形态来调整光射入光调制层的角度，使得光能够以目标预设角度射入光调制层，从而直接在光调制层内对光进行调制，进而免于增加额外光学器件，降低光学系统的复杂程度，提高光利用率，减小光学系统的体积。
附图说明
图1示出一种垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；
图2示出本申请一种集成光学复合基板剖面结构示意图；
图3a示出一种集成光学复合基板的剖面示意图；
图3b示出另一种集成光学复合基板的剖面示意图；
图3c示出另一种集成光学复合基板的剖面示意图；
图4示出一种具有斜圆锥形光传输通道的集成光学复合系统的剖面结构示意图；
图5示出实施例2提供的集成光学复合基板的剖面结构示意图；
图6示出实施例6提供的集成光学复合基板剖面结构示意图；
图7示出实施例9提供的集成光学复合基板的剖面结构示意图。
附图标记说明
1-垂直腔面发射激光器，11-底电极，12-衬底，13-N-DBR，14-多量子势阱-有源层，15-P-DBR，16-上电极，2-光调制层，3-出光孔，4-光传输层，5-光传输通道，6-高透层，7-反射层，8-绝缘层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
以下详述本发明。
本申请将垂直腔面发射激光器与光调制层结合，通过在垂直腔面发射激光器的出光孔内设置光传输层，可选地，在所述光传输层中嵌入光传输通道，使得由垂直腔面发射激光器所发出的激光以目标预设角度传播至光调制层中，并与光调制层耦合调制。
本申请提供的集成光学复合基板包括：垂直腔面发射激光器1以及覆盖于所述垂直腔面发射激光器顶面上的光调制层2。
如图1所示，本实例所用的垂直腔面发射激光器整体外形可以为圆柱形，由底至顶依次包括底电极11、衬底12、N-DBR13、多量子势阱-有源层14、P-DBR15和上电极16，在所述上电极16的中心位置开设有出光孔3，所述出光孔3可以为圆形，也可以为其它规则或者不规则的形状，并且，所述出光孔3的中心轴与所述垂直腔面发射激光器的中心轴重合。
通过向底电极11以及上电极16上施加电压，使得多量子势阱-有源层在上电极与底电极之间的电压下被激发出激光，被激发出的激光由所述出光孔3出射。
在本实例中，所用术语“底电极”为与衬底相邻的电极，“上电极”为与P-DBR相邻的电极，为便于描述，如无特别说明，在本实例中将靠近底电极的一侧称为“底”或者“下”，而靠近上电极的一侧称为“顶”或者“上”。
可以理解的是，所述垂直腔面发射激光器的整体外形也可以为其它形状，例如，正棱柱形或者立方体形等。
在本实例中，所述出光孔开设于所述垂直腔面发射激光器1的顶部，所述顶部是指P-DBR之上的部分，如图1所示的垂直发射激光器，所述顶部是指上电极16。
图2示出本申请一种集成光学复合基板剖面结构示意图，如图2所示，所述集成光学复合基板可以包括依次层压设置的垂直腔面发射激光器1和光调制层2，在所述垂直腔面发射激光器1和光调制层2之间还可以设置绝缘层8。
在本实例中，所述绝缘层8设置于所述垂直腔面发射激光器1中上电极16的表面，并且，所述出光孔3贯穿所述绝缘层8。
在本实例中，所述绝缘层8的材料可以为二氧化硅。
在本实例中，所述垂直腔面发射激光器的P-DBR、多量子势阱-有源层以及N-DBR层在出光孔3周围的部分均被绝缘层8绝缘，因此，在上电极与底电极之间的电压只作用于多量子势阱-有源层与所述出光孔3对应的位置，使得多量子势阱-有源层仅在出光孔对应的位置被激发出激光，并且，多量子势阱-有源层所发出的激光只能通过顶面向上传输通过出光孔出射，其中，所述多量子势阱-有源层可以为现有技术中任意一种用作多量子势阱-有源层的发光材料，包括铝镓砷化物和砷化镓。
如图2所示，所述光调制层2覆盖于所述绝缘层8上表面，所述出光孔3未贯穿所述光调制层2。
在本实例中，由所述垂直腔面发射激光器1出射的光入射至光调制层2中入射角的角度为目标预设角度。本申请人发现，由所述垂直腔面发射激光器1出射的激光如果垂直或者水平入射至光调制层2，则难以与光调制层2耦合，因此，本实例选择使激光在光调制层2中的入射角为锐角。
在本实例中，可以通过以下几种方式改变激光在光调制层2中的入射角：一是保持激光出射方向不变，改变光调制层入射面的角度；二是保持光调制层入射面的角度，但是改变激光的出射方向；三是同时改变激光的出射方向以及光调制层入射面的角度。
以下分别具体说明改变光调制层入射面角度以及改变激光出射方向的具体实现方式。
在本实例中，光调制层入射面角度是指光调制层的入射面与P-DBR上表面之间的角度。
在一种可实现的方式中，所述光调制层2的入射面为斜面，其中，所述斜面为倾斜的平面，即，使光调制层2的入射面与P-DBR上表面之间具有第二预设角度，第二预设角度可以根据光调制层所需的入射角、激光的波长以及激光在所述光调制层中的折射率参数而具体设定，从而使得由垂直腔面激光发射器发出的激光在所述光调制层中的入射角为目标预设角度。
图3a至图3c分别示出一种集成光学复合基板的剖面示意图，在本实例中，所述光调制层2的入射面形成斜面的具体方式至少可以包括以下三种方式：一是如图3a所示，在出光孔对应的位置，增加光调制层至少一部分的厚度，使得增加部分的下表面形成斜面，该斜面与P-DBR上表面之间具有第二预设角度，表现为光调制层具有伸入出光孔内的部分，并且，该伸入部分为斜面圆柱形；二是如图3b所示，在出光孔对应的位置，减少光调制层至少一部分位置的厚度，使得减少部分的下表面形成斜面，该斜面与P-DBR上表面之间具有第二预设角度，表现为在光调制层上与出光孔对应的位置开设斜面圆柱形的凹槽；三是如图3c所示，在出光孔对应的位置，增加一部分光调制层的厚度，其余部分中减少至少一部分光调制层的厚度，使得出光孔对应的光调制层下表面形成斜面，该斜面与P-DBR上表面之间具有第二预设角度，表现为在光调制层上与出光孔相对应的位置为斜面圆柱，该斜面圆柱的底端伸入出光孔内，而顶端延伸至光调制层内。
在本实例中，用于制造所述光调制层2的材料为具有光电性的材料，具体包括铌酸锂薄膜、钽酸锂薄膜，可以理解地，还可以采用现有技术中任意一种其它具有光电性的材料。
在本实例中，所述光调制层2为圆饼形，可以理解的是，在具体使用中，所述光调制层2可以被切割成预设形状，例如，条形等，切割后的光调制层在出光孔3对应的位置至少保留一部分。
本实例可以通过在所述出光孔3中填充光传输层4来改变激光的出射方向，使得所述激光能够沿特定方向传播并耦合至光调制层2，并在所述光调制层2进行调制。
具体地，一种方式可以为在所述出光孔3中充满所述光传输层4，所述光传输层4为可以改变光传播方向的材料，例如，由P-DBR出射的激光在光传输层4中发生折射，使得利用所述光传输层4改变垂直腔面发射激光器所发出的激光的传播方向。
另一种方式可以为，使所述光传输层的出射面与所述光调制层的入射面之间具有第三预设角度，使得激光由光传输层以目标角度，即以可耦合的入射角入射至光调制层中。
其中，光传输层的出射面与光调制层的入射面之间可以填充光调制层，也可以填充高透层等其它有利于光以目标角度传播至光调制层中的材料，从而减少光泄露，提高光效率。
在本实例中，用于制造所述光传输层的材料包括硅和氮化硅等，例如，硅薄膜和氮化硅薄膜。
在本实例中，在所述光传输层4中嵌入有光传输通道5，所述光传输通道5贯穿于所述光传输层4并且与光调制层2的入射面连接，所述光传输通道5的底端与P-DBR的上表面贴合，顶端与光调制层2的入射面贴合，使得激光能够在光传输通道5中传播至光调制层2。
在本实例中，用于制造所述光传输通道5的材料包括硅、氮化硅，本申请人发现，由垂直腔面发射激光器所发出的激光在上述光传输通道5中更容易穿透，从而能够提高光效率。
在本实例中，所述光传输通道5的折射率小于光调制层2的折射率，使得激光易于由所述光传输通道5折射至所述光调制层2，而减少光在光传输通道5与光调制层2界面处的反射，从而进一步提高光效率。
在本实例中，所述光传输通道5的直径由所述出光孔3的底面向光调制层入射面逐渐减小，使得所述光传输通道5由底至顶呈收缩状，从而使得在其中传播的激光随光传输通道的收缩而汇聚，减少光的散射等损耗，提高光效率。
进一步地，所述光传输通道5在所述光调制层2入射面上的切线与所述光调制层2的入射面之间具有第一预设角度，所述第一预设角度可以根据激光的波长等参数而具体设定，使得所述光传输通道5能够以目标预设角度入射至所述光调制层2，从而使出射的激光能够直接与光调制层2进行耦合。
可选地，所述光传输通道5的形状包括斜圆锥形、斜圆台形、斜面圆锥体以及斜面圆台形，其中，圆台的上底面直径小于下底面直径，使得激光经过所述光传输通道5后汇聚，并以目标预设角度入射至光调制层。
图4示出一种具有斜圆锥形光传输通道5的集成光学复合系统的剖面结构示意图，如图4所示，所述光传输通道5可以为斜圆锥形，使得激光被约束于光传输通道5中，并且能够以目标预设角度入射至光调制层2中。
进一步地，所述出光孔3与所述光传输通道5的形状相似，在本实例中，所述相似并非几何意义上的相似，在同一水平高度上，出光孔3的孔径大于所述光传输通道5在该水平高度处的直径即可，从而减少由垂直腔面激光发生器出射的激光在光传输层4中的泄露。
图5示出本实施例提供的集成光学复合基板的剖面结构示意图，如图5所示，在所述光传输层4与所述光调制层2之间可以设置有高透层6，所述高透层6用于增加激光在光传输层4与所述光调制层2界面的透过率，有助于激光由所述光传输通道透射至光调制层2中，从而提高透光效率。
在本实例中，用于制造所述高透层6的材料包括硅、氮化硅或者氧化硅，本申请中所述高透层6可以使用现有技术中任意一种可商购的高透膜。
图6示出本实施例提供的集成光学复合基板剖面结构示意图，如图6所示，在本实例中，在所述光传输通道5的外周面上还可以设置反射层7，从而将由垂直腔面发射激光器出射的激光限制于所述光传输通道5中，避免激光泄露至光传输层4，进而提高光效率。
本申请提供的集成光学复合基板将垂直腔面发射激光器与光调制层进行集成，使得激光能够以目标预设角度入射至光调制层中，并与光调制层耦合，从而实现光调制层对由垂直腔面发射激光器所发出的激光直接进行调制，本申请提供的集成光学复合基板能够稳定、有效的工业化生产，具有非常广阔的应用前景。
实施例
实施例1
如图3所示，本实例提供的集成光学复合基板由底至顶依次设置有底电极、衬底、N-DBR、多量子势阱-有源层、P-DBR、上电极、绝缘层和光调制层，在上电极以及绝缘层中开设有贯穿上电极以及绝缘层的出光孔，所述光调制层在所述出光孔内伸出斜面圆柱，在所述出光孔中填充有光传输层。
实施例2
如图4所示，本实例提供的集成光学复合基板由底至顶依次设置有底电极11、衬底12、N-DBR13、多量子势阱-有源层14、P-DBR15、上电极16、绝缘层8和光调制层2，在上电极16以及绝缘层8中开设有贯穿上电极16以及绝缘层8的出光孔3，所述光调制层2的入射面与绝缘层8的上表面相平，在所述出光孔3中填充有光传输层4，在所述光传输层4中嵌入有光传输通道5，所述光传输通道5为圆锥形。
实施例3
如图5所示，本实例提供的集成光学复合基板由底至顶依次设置有底电极、衬底、N-DBR、多量子势阱-有源层、P-DBR、上电极、绝缘层和光调制层，在上电极以及绝缘层中开设有贯穿上电极以及绝缘层的出光孔，所述光调制层的入射面与绝缘层的上表面相平，在所述出光孔中填充有光传输层，所述光传输层的顶面与光调制层的入射面具有预设角度，使得所述光传输层形成斜面圆柱，在所述光传输层与光调制层之间填充有高透层。
实施例4
本实例提供的集成光学复合基板与实施例2提供的集成光学复合基板的区别仅在于，所述光传输通道5为圆台形。
实施例5
本实例提供的集成光学复合基板与实施例4提供的集成光学复合基板的区别仅在于，在所述光传输通道5为斜面圆台形。
实施例6
如图6所示，本实例提供的集成光学复合基板与实施例2提供的集成光学复合基板的区别仅在于，在所述光传输通道5外周面上设置有反射层7。
实施例7
本实例提供的集成光学复合基板与实施例4提供的集成光学复合基板的区别仅在于，在所述光传输通道5外周面上设置有反射层。
实施例8
本实例提供的集成光学复合基板与实施例5提供的集成光学复合基板的区别仅在于，在所述光传输通道5外周面上设置有反射层。
实施例9-14
图7示出实施例9提供的集成光学复合基板的剖面结构示意图，如图7所示，实施例9提供的集成光学复合基板与实施例2提供的集成光学复合基板分别相似，区别仅在于，出光孔分别为圆台形，在同一水平高度上出光孔的直径大于光传输通道的直径。
相应地，实施例10-14提供的集成光学复合基板与实施例4-8提供的集成光学复合基板分别相似，区别仅在于，出光孔分别为圆台形，在同一水平高度上出光孔的直径大于光传输通道的直径。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种集成光学复合基板，其特征在于，所述集成光学复合基板包括：垂直腔面发射激光器(1)以及覆盖于所述垂直腔面发射激光器顶面上的光调制层(2)，在所述垂直腔面发射激光器(1)的顶部开设贯穿顶面的出光孔(3)，在所述出光孔(3)内填充有光传输层(4)，其中，由所述垂直腔面发射激光器(1)出射的光在光调制层(2)中入射角的角度为目标预设角度。
2.根据权利要求1所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述光调制层(2)的入射面为斜面。
3.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，在所述光传输层(4)中嵌入有光传输通道(5)，所述光传输通道(5)贯穿于所述光传输层(4)并且与光调制层(2)的入射面连接。
4.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述光传输通道(5)的折射率小于光调制层(2)的折射率。
5.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述光传输通道(5)的直径由所述出光孔(3)的底面向光调制层入射面逐渐减小，并且，所述光传输通道(5)在所述光调制层(2)入射面上的切线与所述光调制层(2)的入射面之间具有第一预设角度。
6.根据权利要求5所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述凸几何体包括斜圆锥形、斜圆台形、斜面圆锥体以及斜面圆台形。
7.根据权利要求5所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述出光孔(3)与所述光传输通道(5)的形状相似。
8.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，在所述光传输层(4)与所述光调制层(2)之间设置有高透层(6)。
9.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，在所述光传输通道(5)的外周面上设置有反射层(7)。
10.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器(1)包括上电极(16)，在所述上电极(16)的上表面设置有绝缘层(8)，所述出光孔(3)贯穿于所述上电极(16)以及绝缘层(8)。
11.根据权利要求1或2所述的集成光学复合基板，其特征在于，
用于制造所述光调制层(2)的材料包括铌酸锂薄膜和钽酸锂薄膜；和/或
用于制造所述光传输层(4)的材料包括硅和氮化硅；和/或
用于制造所述光传输通道(5)的材料包括硅和氮化硅。
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