CN114761846A - 光学系统及用于生产光学系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学系统，该光学系统包括布拉格镜，该布拉格镜包括带状部(100)的具有折射指数n1的部分(110)、具有折射指数n3的波状部(112)以及将带状部(100)与波状部(112)分隔开并且具有折射指数n2的分隔层(111)，使得n2＜n3并且n2＜n1。本发明还涉及生产这种镜的方法，以及涉及包括这种镜作为输出镜的激光器。
Description
技术领域
本发明涉及光电子学领域。本发明发现：例如对于LiDAR(“laser detection andranging(激光检测和测距)”的首字母缩写词)遥感激光器或对于400G以太网类型的中距离数据通信激光器，半导体激光源的生产具有特别有利的应用。
背景技术
布拉格镜(Bragg mirror)允许将垂直入射到该镜的光辐射进行反射，同时限制光学损耗。因此，对于给定波长λ的光辐射，它可以具有大于99％的反射率R。
因此布拉格镜特别有利于制造用于激光应用的光学腔，并且尤其是用于半导体激光源的光学腔。
已知的半导体激光源体系结构是如图1A、图1B所示的。这种体系结构通常包括：在两个横向布拉格镜11、12之间纵向延伸的带状引导件(ribbon guide)100；以及包括放大介质20的法布里-珀罗型光学腔(Fabry-Pérot type optical cavity)。本文中放大介质20是由III-V族材料制成的渐晕部(vignette)，例如，由磷化铟InP制成，被转移到硅带状部100。实际上，布拉格镜是通过带状引导件100的波状部(corrugation)来生产的。因此，它们各自具有确定它们的反射率特性的波状部因子κ和长度Lg。波状部因子κ可以被表示为：
其中Ω是在带状部中传播的光模的截面(section)，ninf和nsup分别是与如图3B所示的带状部的低阶和高阶分别相对应的光模的有效折射指数(refractive index)，neff，g＝(ninf-nsup)dΛ+nsup是由波状部形成的光栅的全局有效指数(与低阶和高阶相关的指数的加权平均值)，以及E是受波状部干扰的区域之外的光辐射的电场。
该激光源的工作原理如下：放大介质被电泵浦以便发射具有围绕波长λ为中心的发射谱的光辐射。根据被称为腔模或纵模的传播谐振模，该光辐射在光学腔内以引导方式传播，同时被布拉格镜反射若干次。在每次反射以后，光辐射被重新注入放大介质中以便激发发射。被称为限制镜(confinement mirror)的一个布拉格镜具有反射率R≥99％并且允许限制腔的光学损耗。被称为输出镜或提取镜的另一布拉格镜具有部分反射性(R≤50％)并且允许传输相干激光束。
在由光学腔和放大介质限定的波长下，该激光束通常具有发射谱，该发射谱包括围绕波长λ的一组离散的非常细的线。该激光发射谱是如图2所示的。该发射谱的不同线对应于激光束的纵模。线的宽度尤其地取决于光学腔的缺陷(imperfection)以及决于放大介质内生成的量子噪声。
纵模之间的波长间隔对应于光学腔的自由谱范围ISLλ(ISL的法文I′intervallespectral libre，英文也称作FSR)，并且尤其是取决于光学腔的长度L：
其中neff为光学腔的平均有效指数。因此，通过增大腔长度，ISLλ减小，并且激光束的谱带(spectral band)潜在地包含更多的纵模。
激光束可以通过该激光束的谱纯度来表征，该谱纯度反映了该激光束的发射谱中纵模的数量。激光束的谱纯度随着发射谱中纵模的数量的减少而增大。谱纯度可以被表示为两条最强线的强度的比率。在电信中，如果强度的比率(也称为首字母缩写词SMSR(对于Side Mode Suppression Ratio，边模抑制比率))大于约30dB，则将激光束视为波长λ的单模激光束。
一种允许提高激光束的谱纯度的解决方案在于减小腔长度。这种类型的解决方案不适用于需要高光学功率的激光源，因为通过减小腔长度，激光束的光学功率会降低。
允许提高激光束的谱纯度的另一种解决方案在于对输出布拉格镜标注尺寸(dimensioning)以便对激光束进行谱滤波。
光学腔的布拉格镜各自具有以波长λ为中心的反射率峰值。
该反射率峰值具有一定的谱宽度δωDBR，该谱宽度限定布拉格镜的谱阻带或“阻带”。
该阻带宽度δωDBR(以nm为单位)尤其是取决于布拉格光栅的波状部因子κ(也被称为光栅强度)，以及取决于布拉格光栅的长度Lg：
其中vg是光辐射的群速度。
输出镜的足够低的阻带宽度δωDBR允许对激光束的发射谱进行滤波并且使该发射谱的宽度减小。因此，激光束的谱纯度随着输出镜的阻带变窄反而更好。
图3A示出了对于波长λ＝1547nm的光辐射，ISLλ＝0.32nm的光学腔的限制镜(Lg＝500μm、R≈100％、δωDBR2≈2nm)和输出镜(Lg＝100μm、R≈46％、δωDBR≈4nm)的阻带和反射率R。竖向线示出光束的不同纵模(由ISLλ分隔开)。
在本示例中，光学腔具有约1mm的长度L，并且限制镜和输出镜具有高度为t＝10nm的波状部。图3B以截面示出了长度为Lg的布拉格镜，该布拉格镜在周期Λ内具有高度为t、长度为d的这种波状部。
这种类型的解决方案允许获得单模红外激光源(λ≈1550nm)，该单模红外激光源用于需要包括在介于5mW与20mW之间的光学功率的数据传输(datacoms)应用或电信(telecoms)应用。
另一方面，对于LiDAR(激光检测和测距)类型的应用或400G以太网类型的中距离数据传输应用，这种类型的解决方案不允许同时获得足够的功率(通常大于100mW)和单模激光束。
为了获得这些应用所需的光学功率，必须将放大介质的长度增大，因此必须将光学腔的长度L增大。具体地，光学腔的长度可以是前面示例的长度的至少三倍。这种腔长度的增大成比例地引起自由谱范围ISLλ的减小。
先前示例的输出镜的特征不再允许为这种光学腔获得单模光束。具体地，输出镜的阻带宽度(δωDBR≈4nm)与这种光学腔的自由谱范围(ISLλ≈0.11nm)相比太大了。
因此，需要提出一种用于具有减小的阻带宽度的半导体激光器的输出布拉格镜。
本发明的一个目的是提供一种包括这种输出布拉格镜的激光器。
具体地，本发明的一个目的是提供一种包括提高激光束的谱纯度的输出布拉格镜的半导体激光器，尤其是用于具有大于或等于100mW的光学功率的半导体激光器。
本发明的另一目的是提供一种生产这种激光器的方法。
本发明的另一目的是提供一种具有大于或等于100mW的光学功率的单模半导体激光器。
本发明的其他目的、特征和优点将通过研究以下描述和附图而变得明显。可以理解的是，可以结合其他优点。具体地，布拉格镜的一些特征和一些优点可以经过必要的变通(mutatis mutandis)应用于光学系统和/或方法，反之亦然。
发明内容
为了实现该目标，第一方面涉及一种光学系统，该光学系统包括：基于第一材料的带状部；由所述带状部的第一部分形成的第一布拉格镜；包括带状部的第二部分的第二布拉格镜；位于第一布拉格镜与第二布拉格镜之间的包括带状部的第三部分的光学腔；和在带状部的所述第三部分处的基于第四材料的放大介质。
第一布拉格镜包括基于具有第一折射指数n1的第一材料的第一带状部分。带状部主要沿第一方向x延伸并且旨在沿所述第一方向x对波长λ的光辐射的传播进行引导。第一布拉格镜还包括在所述第一带状部分的至少一个面处的波状部，所述波状部主要沿第二方向y延伸并且沿第三方向z具有高度h3，该第二方向y与第一方向x垂直，该第三方向z与第一方向x和第二方向y垂直。
有利地，波状部通过基于第二材料的分隔层与第一带状部分的所述至少一个面分隔开，所述第二材料具有沿第三方向z的厚度e2并且具有第二折射指数n2。
有利地，波状部基于具有第三折射指数n3的第三材料，使得n2＜n3并且n2＜n1。
因此，波状部与带状部的面相对并且通过分隔层与带状部的所述面分隔开。
带状部引导光辐射沿x纵向地传播。因此光辐射的(一个或更多个)光模被限制在带状部中。因此带状部具有沿横向方向y、z的尺寸，该沿横向方向y、z的尺寸小于带状部的沿x的尺寸以及优选地远小于带状部的沿x的尺寸，并且例如对于方向y、z中的至少一个方向，带状部的尺寸至少为沿x的尺寸的百分之一。该限制通常通过用低折射指数材料为带状部设置护层(sheathing)来获得。因此，通过带状部本身与围绕带状部的护层之间的指数对比来实现限制。光学限制也可以部分地归因于带状部的几何形状，通常归因于带状部的横截面的形状。
因此，形成光导的这种带状部不同于通常沿x和沿y延伸的基板。基板不允许沿一个方向或沿单个方向对光辐射的传播进行引导。基板通常旨在承载多个器件。具体地，基板可以承载与根据本发明的布拉格镜相关联的带状引导件。
因此带状部和包括了该带状部的一部分的镜旨在用于引导光学的领域。带状部优选地是单模的，也就是说，它引导光辐射的单模传播，通常是基模。集成到镜中的带状的部分通常具有与带状部本身相同的特征。带状部的这部分尤其是允许限制光辐射。因此，被限制在镜的该带状部分中的光辐射的小部分(fraction)被镜的每个波状部沿x反射。因此，在相位上被反射的小部分对沿x反射的光辐射进行重整(reform)。因此，镜执行初级反射功能，但也包括光传播功能。
波状部干扰光辐射的传播。因此，波状部因子κ部分地确定了阻带宽度δωDBR。波状部因子越大，镜的阻带宽度就越大。相反，当波状部因子减小时，镜的阻带宽度减小。
一种允许减小波状部因子的解决方案在于降低波状部的高度。在本发明发展的背景下，实践证明，以可再现和受控的方式获得高度在几纳米范围内的波状部所需的刻蚀技术非常难以实施。
相反，在本例中，通过克服波状部的高度的降低来实现波状部因子的减小。
因此，分隔层的使用允许在物理上使波状部与光辐射在其中传播的带状部保持距离。干扰的强度随着波状部与带状部之间沿第三方向z的距离的增大而减小。因此布拉格镜的波状部因子κ和阻带宽度δωDBR通过这种物理距离或分隔效应(separation effect)而减小。
用于该分隔层的第二材料(通常为相对于带状部和波状部的折射指数具有低折射指数的介电材料)的使用，进一步允许将波状部与光辐射在其中传播的带状部光学地分隔开。
因此，折射指数为n2的分隔层通过将波状部与带状部物理地分隔开以及通过对具有低指数的光辐射进行光学地调制而具有协同效应。这允许进一步减小布拉格镜的阻带宽度。
因此，波状部相对于带状部是“浮动的”。从电磁的角度来看，波状部形成对在带状部中传播的光辐射的电磁场进行干扰的岛状部(island)。光辐射的电磁干扰被介电屏障衰减。它们随着岛状部与带状部之间的距离的增大而自然地进一步减小。这些浮动波状部具有减小的波状部因子。
光学系统可以有利地形成具有高的谱纯度的激光器。这种配备有阻带宽度减小的输出镜的激光器可以进一步具有增大的腔长度，同时有利地保持单模。因此激光器的光学功率可以增大，例如增大到大于或等于100mW的值，同时保持大于30dB的SMSR。
第二方面涉及一种用于制造激光器的方法，包括以下步骤：
-提供带状部，该带状部基于具有第一折射指数n1的第一材料，所述带状部主要沿第一方向x延伸并且具有沿主要延伸平面xy延伸的面，所述主要延伸平面xy由第一方向x和与第二方向y形成，该第二方向y与第一方向x垂直，
-至少在带状部的所述面的第一部分上沉积基于第二材料的分隔层，该第二材料具有第二折射指数n2使得n2＜n1，所述分隔层具有沿第三方向z的厚度e2，该第三方向z与第一方向x和第二方向y垂直，
-在分隔层上沉积基于第三材料的干扰层，该第三材料具有第三折射指数n3使得n2＜n3，所述干扰层具有沿第三方向z的厚度e3，
-对干扰层进行刻蚀以形成波状部，该波状部主要沿第二方向y延伸并且沿第三方向z具有高度h3≤e3，所述波状部与带状部的第一部分和分隔层一起形成第一布拉格镜，
-在带状部的第二部分处形成第二布拉格镜，
-在带状部的位于第一部分与第二部分之间的第三部分处，对基于第四材料的放大介质进行转移。
波状部的高度h3优选地大于10nm，并且波状部的高度h3优选地大于20nm。这种高度h3的刻蚀比小于几纳米(例如小于5nm)的刻蚀更容易地实现。因此，与旨在降低波状部的高度的解决方案相比，根据本发明的方法对波状部进行刻蚀的步骤被简化。有利地，分隔层可以被用作干扰层的刻蚀的停止层并且h3＝e3。因此，波状部的高度h3是完全可再现的并且被很好地控制。在波状部的刻蚀期间，带状部的面还被保护免受可能的过度刻蚀。这允许生产具有高品质因数的布拉格镜。
附图说明
本发明的目的、目标以及特征和优点将从由以下附图所示的本发明的一种实施方式的详细描述中得到更好的体现，其中：
-图1A和图1B分别以俯视图和截面视图示出了已知的半导体激光源体系结构。
-图2表示激光的典型发射谱。
-图3A示出了根据现有技术的激光器的限制镜和输出镜的阻带和反射率。
-图3B以截面形式示出了根据现有技术的具有波状部的布拉格镜。
-图4A示出了根据本发明的一个实施方式的布拉格镜在平面yz中的截面图。
-图4B示出了根据本发明的一个实施方式的布拉格镜在平面xz中的截面图。
-图5A示出了根据本发明的一个实施方式的布拉格镜的俯视图。
-图5B示出了根据本发明的另一实施方式的布拉格镜的俯视图。
-图6A示出了根据现有技术的布拉格镜的阻带和反射率。
-图6B示出了根据本发明的一个实施方式的布拉格镜的阻带和反射率。
附图以示例的方式给出并且不限制本发明。它们构成旨在促进对本发明的理解的示意性原理表示，并且不一定按实际应用进行缩放。具体地，布拉格镜的不同层和波状部的相对尺寸并不代表现实。
具体实施方式
在开始详细评述本发明的实施方式之前，回顾第一布拉格镜尤其是包括可以组合方式或替代地使用的以下可选特征：
根据一个示例，波状部彼此分隔开，使得分隔层被暴露在所述波状部之间。
根据一个示例，波状部被封装在基于第二材料的封装层中。
根据一个示例，波状部的高度h3大于或等于5nm，以及/或者波状部的高度h3小于或等于30nm。
根据一个示例，分隔层的厚度e2大于或等于10nm，以及/或者分隔层的厚度e2小于或等于50nm。
根据一个示例，波状部具有投影在由第一方向x和第二方向y形成的主要延伸平面xy中的绝热图案。
根据一个示例，高度h3和厚度e2被配置成使得镜具有小于或等于0.5nm的谱带宽δωDBR。
根据一个示例，第一折射指数n1大于或等于3，第二折射指数n2小于或等于2，以及第三折射指数n3大于或等于1.5。
根据一个示例，第三折射指数和第二折射指数使得n3-n2≤0.5。
根据一个示例，第一材料是硅，第二材料是氧化硅，第三材料取自氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化钽。
根据一个示例，带状部形成单模引导件。
根据一个示例，镜具有沿横向于光辐射传播的第一方向x的平面的输入和输出。
根据一个示例，波状部被包括在与光辐射传播的第一方向x平行的层(被称为干扰层)中。
根据本发明的第一方面，本发明尤其是包括可以组合方式或替代地使用的以下可选特征：
根据一个示例，光学腔沿第一方向(x)具有长度Lc，该长度Lc大于或等于500μm，优选地大于或等于1mm，以及优选地大于或等于3mm。
根据一个示例，第二布拉格镜具有大于或等于99％的反射率和大于或等于2nm的谱带宽δωDBR2。
根据一个示例，第二布拉格镜包括基于第一材料的第二波状部，所述第二波状部与带状部的第二部分的至少一个面直接地接触，所述第二波状部具有大于或等于5nm的高度h2。
根据一个示例，光学系统形成了遥感激光器，该遥感激光器被配置成在被称为LiDAR(“laser detection and ranging(激光检测和测距)”的首字母缩写词)的激光检测和测距系统中实施。
根据本发明的第二方面，本发明尤其是包括可以组合方式或替代地使用的以下可选特征：
根据一个示例，方法还包括：通过基于第二材料的封装层对波状部进行封装。
根据一个示例，刻蚀在分隔层与干扰层之间的界面处停止，使得波状部的高度h3等于干扰层的厚度e3。
根据一个示例，刻蚀在干扰层与分隔层之间具有选择性Sp∶s，该选择性大于或等于2∶1，优选地大于或等于50∶1。
根据一个示例，波状部的高度h3大于或等于5nm以及/或者小于或等于30nm，并且分隔层的厚度e2大于或等于20nm以及/或者小于或等于50nm。
除了不兼容之外，应当理解的是，镜、制造方法和光学系统经过必要的变通可以包括所有上述可选特征。
在本发明的背景中，术语“布拉格镜”、“布拉格光栅”或“分布式布拉格反射器”或“DBR”用作同义词。本文中布拉格镜被配置成用作波导中的反射器。它包括具有不同折射指数的材料的交替。这种交替引起波导中有效折射指数的周期性变化。在根据本发明的布拉格镜的背景下，这种交替被重现至少两次。
与布拉格镜配合的波导优选地是尤其是用于带状部激光器应用的带型波导。带状部激光器可以是DBR型(用于分布式布拉格反射器)或是DFB型(用于分布式反馈)。DBR激光器通常包括两个布拉格镜。DFB激光器通常包括单个布拉格镜。
带状部沿主方向x连续地延伸。它沿x对光辐射的传播进行引导。如图1A所示，带状部在平面yz中的截面沿带状部100不一定是恒定的。具体地，一个或更多个渐缩部(taper)101、102可以对光辐射的传播进行局部地调制。例如，这允许在光辐射在腔的部分10(带状部)中的传播与光辐射在腔的部分20(放大介质)中的传播之间的绝热通道。带状部截面也可以具有可变的形状。根据图1A中所示的示例，它在布拉格镜11、12处可以是矩形的，并且在光学腔10处可以具有脊状轮廓。在本发明的背景中，带状部可以指定带状或条状引导件，或者可以仅指定脊状或肋状引导件的一部分，通常是脊状引导件的最厚的中央部分。因此，脊状或肋状引导件包括本发明的含义内的带状部。
带状部通常包括分别有助于形成(一个或更多个)布拉格镜以及DBR或DFB型带状部激光器的光学腔的若干部分。如图1B所示，带状部100的第一部分110对应于第一布拉格镜11，带状部100的第二部分120对应于第二布拉格镜12，并且带状部100的第三部分130对应于光学腔。因此在布拉格镜中包括的带状部的部分必须与带状部的其余部分相配合。
(一个或更多个)布拉格镜包括在带状部的至少一个面处的波状部。这些波状部从带状部的面突出。它们横向于主纵向方向x延伸。因此，“波状部”对应于突起的横向浮雕部(transverse relief)。根据现有技术的布拉格镜的波状部通常与带状部的表面直接地接触(图3B)。根据本发明的布拉格镜的波状部通常通过分隔层与带状部表面分隔开(图4B)。
需要说明的是，在本发明的背景中，介于第一层与第二层之间的第三层不一定意味着这些层彼此直接地接触，而是意味着除非另有规定，否则第三层与第一层和第二层直接地接触，或通过至少一个其他层或至少一个其他元件与第一层和第二层分隔开。
层形成步骤，尤其是分隔步骤和干扰步骤，可以从广义上理解：它们可以在不一定严格连续的若干子步骤中进行。
“基于”材料M的基板、膜、层是指仅包括该材料M或者包括该材料M和可能的其他材料(例如合金元素、杂质或掺杂元素)的基板、膜、层。在适当的情况下，材料M可以具有不同的化学计量。因此，由基于氮化硅的材料制成的层可以例如是SiN层或Si3N4层(通常称为化学计量的氮化硅)。
在本专利申请中，第一方向、第二方向和第三方向分别对应于优选正交参考系的轴x、y、z所代表的方向。该参考系在附图中表示。
在下文中，长度取第一方向x，宽度取第二方向y，以及厚度取第三方向z。
在下文中，折射指数被限定用于材料，可能地被限定用于平均材料或模型材料，以及被限定用于该材料中的光辐射的波长。折射指数等于波速(celerity)c(真空中的光的速度)与光在所考虑的材料中的传播速度的比率。假设光沿纵向方向x传播。
n1是波长λ的光通量(luminous flux)在第一材料中传播的第一折射指数。
n2是波长λ的光通量在第二材料中传播的第二折射指数。
n3是波长λ的光通量在第三材料中传播的第三折射指数。
术语“基本上”、“约”、“在…范围内”是指“在10％以内”，或者在角度取向的情况下，是指“在10°以内”。因此，基本上垂直于平面的方向是指相对于该平面具有90±10°角的方向。
为了确定布拉格镜的几何形状，可以进行扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)分析。这些技术非常适用于确定纳米结构的尺寸。根据典型的构造分析或逆向工程方法，它们可以从通过装置制成的冶金截面或薄截面来实施。
不同材料的化学成分可以通过EDX或X-EDS(“energy dispersive x-rayspectroscopy(能量色散X射线光谱学)”的首字母缩写词)类型分析来确定。这种技术非常适合对诸如薄波状部等小型结构的成分进行分析。它可以在扫描电子显微镜(SEM)内的冶金截面或透射电子显微镜(TEM)内的薄截面上实施。
布拉格镜的反射率和阻带测量可以通过红外光谱进行，例如可以通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱学来进行。布拉格镜的阻带宽度是在中间高度处测量的。布拉格镜的反射率和阻带也可以通过被称为FDTD(Finite Difference Time Domain，有限差分时域)方法的有限差分时域计算来确定。
现在将通过几个非限制性实施方式详细描述本发明。
参考图4A、图4B和图5A，布拉格镜11的第一实施方式包括：由硅制成的第一带状部100的部分110、直接形成在部分110的面1100上的由氧化硅制成的分隔层111、以及直接形成在分隔层111的面1110上的由氮化硅制成的波状部112。
部分110可以替代性地由硅合金(例如硅-锗)或锗制成。它具有通常大于3的折射指数n1。它具有例如在500nm范围之内的厚度e1。它可以通过从绝缘体上硅SOI或绝缘体上锗GeOI型基板进行光刻/刻蚀而形成。该部分110可以具有在50pm至1000pm范围之内的长度Lg和在5pm至20pm范围之内的宽度W。因此，部分110通常与位于下面的氧化物层以及以横向氧化物层(未示出)接界(border)。
该部分110的面1100有利地没有被结构化，这与依靠以带状部的面的波状部形式的周期性结构化的已知解决方案不同。因此有利地消除了对非常薄的波状部(＜5nm)进行复杂刻蚀的问题。部分110与在该部分110的面1100处的分隔层111接界。
分隔层111具有优选地包括在10nm与50nm之间(例如包括在20nm与40nm之间)的厚度e2。它具有小于2的折射指数n2。由氧化硅制成的这种分隔层111的形成是完全已知的并且很容易实现。它可以通过在带状部100的部分110的面1100处暴露的硅的热氧化来形成。替代性地，它可以通过例如化学气相沉积型CVD的沉积技术来沉积。分隔层111覆盖整个面1100。
波状部112优选地与分隔层111直接地接触。它们具有的高度h3大于5nm，优选地大于10nm，例如在20nm至25nm的范围之内，或者甚至达约50nm。波状部的高度h3的这种范围允许对镜的波状部因子进行的更精细的调整。
波状部112具有作为光辐射的波长λ的函数而计算的长度d和周期Λ。通常，长度d等于：
周期Λ等于：
对于波长λ大约等于1.5pm的辐射，长度d通常在150nm的范围之内并且周期Λ通常在250nm的范围之内。波状部的宽度优选地大于或等于W。比带状部100的宽度W稍大的波状部的宽度允许克服波状部相对于带状部的沿z的任何未对准。因此提高了波状部112覆盖带状部的整个宽度W的概率。在平面xy中对波状部的标注尺寸本身是已知的。
波状部具有大于1.5且大于n2的折射指数n3。它们优选地由氮化硅制成。它们可以替代性地但不限于由氮化铝、或氧化铝、或氧化钽制成。
波状部的形成优选在两个步骤中进行。第一步骤在于，(例如通过CVD)在分隔层111上沉积被称为干扰层的层。该干扰层具有厚度e3。第二步骤在于，通过光刻/刻蚀来对干扰层进行结构化以形成波状部112。刻蚀优选地通过干法工艺进行。刻蚀深度对应于波状部的高度h3。波状部112优选地是不同的并且彼此分隔开，如图4B所示。在这种情况下，h3＝e3并且在刻蚀之后分隔层111的面1110被暴露在波状部之间。因此分隔层111有利地用作刻蚀停止层。在干法刻蚀的情况下，刻蚀优选地在干扰层与分隔层之间具有大于或等于2∶1的选择性Sp∶s，或者尤其是在湿法刻蚀的情况下，该选择性甚至为50∶1。
替代性地，波状部112具有的高度h3小于干扰层的厚度e3。它们通过与分隔层111接触的干扰层的下部来互连。在这种情况下，刻蚀在到达分隔层111的面1110之前停止。
在刻蚀之后，波状部112优选地由氧化硅沉积物(例如通过CVD)被封装。封装层优选地覆盖镜的包括波状部并且与带状部相对的整个面；它还有利地填充波状部之间的空间，从而覆盖分隔层的被暴露部分(这意味着没有被波状部覆盖的部分)。
根据该第一实施方式，波状部因此类似于嵌入在氧化硅的基质中的氮化硅条，如图5A所示。波状部优选地具有恒定的宽度。因此形成的布拉格镜包括沿该布拉格镜的长度Lg的几十个波状部。波状部的数量是例如在10与100之间。
根据图5B所示的第二实施方式，波状部112以称为绝热图案的图案来布置。只有波状部的这种布置与第一实施方式不同，所有事物都相同。这种绝热图案在平面xy中具有渐缩的轮廓30，例如尖角形(pointed)轮廓或抛物线轮廓，从而划定了没有波状部的第一区域31与具有波状部112的第二区域32的界限。在这种情况下，在缺乏波状部112的整个区域31上，分隔层111的面1110被暴露。区域31优选地在y方向上以区域32为中心。
这种绝热图案允许以已知方式在布拉格镜的反射期间对光辐射的传播进行逐渐调制。这允许通过布拉格镜处的衍射来限制光学损耗。因此光学腔的寄生损耗被限制。因此，区域31具有从镜的意在与在其中传播光辐射的波导或光学腔邻接的第一侧沿方向x朝向镜的与第一侧相对的第二侧逐渐减小的宽度。区域32包括波状部的与区域31接界的部分以及在镜的第二侧处的完整波状部-即，沿着整个宽度W延伸。区域32中的完整波状部的数量可以在5与20之间。
区域31的最大宽度Wz优选地小于区域32的宽度W。宽度比率Wz/W可以在0.5与0.9之间。区域31的长度Lz小于区域32的长度Lg。长度的比率Lz/Lg可以在0.5与0.9之间。区域31的面积可以小于区域32的面积。区域31、32的面积的比率可以在0.5与0.9之间。
因此根据这些第一实施方式和第二实施方式形成的布拉格镜具有减小的阻带宽度。根据第二实施方式形成的布拉格镜进一步具有提高的效率。
图6A和图6B对根据现有技术的镜(图6A)与根据本发明的镜(图6B)的阻带宽度δωDBR进行了比较。对于在50％范围之内的类似反射率，与根据现有技术的镜的阻带宽度(δωDBR≈4nm，图6A)相比，根据本发明的镜的阻带宽度(δωDBR≈0.6nm，图6B)非常显著地减小。在该示例中呈现的阻带宽度δωDBR≈0.6nm不是根据本发明的镜的阻带宽度限值。该阻带宽度可以进一步被减小，例如通过增大分隔层的厚度e2和/或通过减小波状部的高度h3来进一步减小该阻带宽度。
这种布拉格镜可以有利地被实现为DBR型带状部激光器的输出镜。特别地，通过将根据现有技术的镜11替换为本发明中描述的布拉格镜，可以使用图1A和图1B所示的Si上的体系结构(被称为III-V族体系结构)。使用具有减小的阻带宽度的这种镜允许在保持单模激光束的情况下使光学腔10延长。通过将光学腔相对于作为参考的激光器的腔的长度L延长因子X，来将自由光谱范围ISLλ减小为相同因子X分之一。为了保持参考激光束的SMSR比率，然后有必要将阻带宽度减小为相同的因子X分之一。
因此，明显地是：根据本发明的布拉格镜适用于在DBR型的硅上生产III-V族带状部激光器，该III-V组带状部激光器具有是参考激光器的光学腔的X倍的光学腔。通过成比例地增大放大介质的长度并且因此增大放大介质的体积，这种激光器的功率也是参考激光器的功率的X倍。因此，根据本发明的布拉格镜允许在Si上生产III-V族激光器，该III-V族激光器功率是包括根据现有技术的布拉格镜的参考激光器的功率的约X倍。在本发明的背景中，该因子X至少为6。
因此，如本发明所述的包括输出镜的Si上的III-V族激光器可以具有在3mm范围之内的腔长度L、在2mm范围至内的放大介质长度以及在0.11nm范围之内的ISLλ。这种激光器有利地具有大于或等于100mW的光学功率，同时对于1.5pm范围之内的发射波长，保持大于30dB的SMSR。该激光器的限制镜12优选地包括直接地形成在带状部100的部分120上的波状部。因此它具有比输出镜11的阻带宽度大得多的阻带宽度。这允许从在镜12的宽的带(例如，δωDBR2≥10nm)上的几乎全反射率(R≥99％)、以及从在镜11的非常细的带(例如，δωDBR≤0.6nm)上的半反射率(R≤50％)中受益。这种激光器可以有利地用于LiDAR和长距离400G电信应用。
本发明不限于上述实施方式并且延伸到由权利要求所涵盖的所有实施方式。
Claims (16)
1.一种光学系统，所述光学系统包括：
-带状部(100)，所述带状部(100)基于具有第一折射指数n1的第一材料，所述带状部(100)主要沿第一方向(x)延伸并且所述带状部(100)旨在沿所述第一方向(x)对波长λ的光辐射的传播进行引导，
-第一布拉格镜(11)，所述第一布拉格镜(11)由所述带状部(100)的第一部分形成，所述第一布拉格镜(11)还包括在所述带状部(100)的第一部分(110)的至少一个面(1100)处的波状部(112)，所述波状部(112)主要沿与所述第一方向(x)垂直的第二方向(y)延伸，并且所述波状部(112)沿第三方向(z)具有高度h3，所述第三方向(z)与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)垂直，所述第一布拉格镜(11)的所述波状部(112)通过基于第二材料的分隔层(111)与所述带状部(100)的第一部分(110)的所述至少一个面(1100)分隔开，所述基于第二材料的分隔层(111)具有沿第三方向(z)的厚度e2并且具有第二折射指数n2，所述波状部(112)基于具有第三折射指数n3的第三材料，使得n2＜n3并且n2＜n1，
-第二布拉格镜(12)，所述第二布拉格镜(12)包括带状部(100)的第二部分，以及
-光学腔，所述光学腔位于所述第一布拉格镜(11)与所述第二布拉格镜(12)之间，所述光学腔包括所述带状部(100)的第三部分，以及
-放大介质，所述放大介质基于第四材料，所述放大介质在所述带状部(100)的所述第三部分处。
2.根据前一权利要求所述的光学系统，其中，所述波状部(112)被封装在基于所述第二材料的封装层中。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述波状部的高度h3大于或等于5nm，以及/或者所述波状部的高度h3小于或等于30nm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述分隔层(111)的厚度e2大于或等于10nm，以及/或者所述分隔层(111)的厚度e2小于或等于50nm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述波状部具有绝热图案(30)，所述绝热图案(30)投影在由所述第一方向(x)和所述第二方向(y)形成的主要延伸平面(xy)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述高度h3和所述厚度e2被配置成：使得所述镜(11)具有小于或等于0.5nm的谱带宽δωDBR。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，所述第一折射指数n1大于或等于3，所述第二折射指数n2小于或等于2，以及所述第三折射指数n3大于或等于1.5。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第一材料为硅，所述第二材料为氧化硅，所述第三材料取自氮化硅、氮化铝、氧化铝、氧化钽。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述光学腔沿所述第一方向(x)具有长度Lc，所述长度Lc大于或等于500μm，优选地所述长度Lc大于或等于1mm，以及优选地所述长度Lc大于或等于3mm。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第二布拉格镜(12)具有大于或等于99％的反射率，以及所述第二布拉格镜(12)具有大于或等于2nm的谱带宽δωDBR2。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述第二布拉格镜(12)包括基于所述第一材料的第二波状部，所述第二波状部与所述带状部(100)的所述第二部分(120)的至少一个面直接地接触，所述第二波状部具有大于或等于5nm的高度h2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，所述光学系统形成遥感激光器，所述遥感激光器被配置成在激光检测和测距系统中实施。
13.一种用于制造光学系统的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供基于具有第一折射指数n1的第一材料的带状部(100)，所述带状部(100)主要沿第一方向(x)延伸并且所述带状部(100)具有在主要延伸平面(xy)中延伸的面(1100)，所述主要延伸平面(xy)由所述第一方向(x)和第二方向(y)形成，所述第二方向(y)与所述第一方向(x)垂直，
-至少在所述带状部的所述面(1100)的第一部分上沉积基于第二材料的分隔层(111)，所述第二材料具有第二折射指数n2使得n2＜n1，所述分隔层(111)具有沿第三方向(z)的厚度e2，所述第三方向(z)与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)垂直，
-在所述分隔层(111)上沉积基于第三材料的干扰层，所述第三材料具有第三折射指数n3使得n2＜n3，所述干扰层具有沿所述第三方向(z)的厚度e3，
-对所述干扰层进行刻蚀以形成波状部(112)，所述波状部(112)主要沿所述第二方向(y)延伸并且沿所述第三方向(z)具有高度h3≤e3，所述波状部(112)与所述带状部(100)的所述第一部分和所述分隔层(111)一起形成第一布拉格镜(11)，
-在所述带状部(100)的第二部分处形成第二布拉格镜(12)，
-在所述带状部(100)的位于所述第一部分与所述第二部分之间的第三部分处，对基于第四材料的放大介质进行转移。
14.根据前一权利要求所述的方法，所述方法还包括：通过基于所述第二材料的封装层对所述波状部(112)进行封装。
15.根据前述两项权利要求中任一项所述的方法，其中，所述刻蚀在所述分隔层(111)与所述干扰层之间的界面(1110)处停止，使得所述波状部(112)的所述高度h3等于所述干扰层的厚度e3。
16.根据前述三项权利要求中任一项所述的方法，其中，所述波状部(112)的所述高度h3大于或等于5nm，以及/或者所述波状部(112)的所述高度h3小于或等于30nm；并且所述分隔层(111)的所述厚度e2大于或等于20nm，以及/或者所述分隔层(111)的所述厚度e2小于或等于50nm。
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