CN117096729A - 一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法 - Google Patents

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丁振文
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Abstract

本申请提供一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法，包括芯片层和无源波导器件，芯片层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，无源波导器件形成于无源波导区。芯片层由下至上依次包括基底、形成于基底且包括脊波导的氮化硅层、位于有源增益区且与氮化硅层上的脊波导键合的III‑V族外延层。无源波导器件包括基于氮化硅层形成的、级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔上沉积形成有加热金属电极。该激光器中，由于III‑V族外延层横向对称性，保障了形成的激光器的稳定、高精度的耦合，采用双微环谐振腔，线宽可压缩至百赫兹以下，基于加热金属电极和双微环谐振腔的游标卡尺效应，可实现宽调谐范围。

Description

一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体而言，涉及一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法。
背景技术
窄线宽激光器具有低相对强度噪声、低相位噪声和长相干长度等特性，在相干光通讯系统、密集波分复用(Dense wavelength division multiplexing，DWDM)系统、高分辨率光传感、极精确度时钟计时、激光雷达测距(light detection and ranging，LiDAR)、引力波探测等领域中发挥着不可替代的重要作用。
随着相干光通信的应用需求逐渐增多，激光光源部分对于线宽的进一步压窄和调谐范围进一步加宽提出了更高要求。目前实现窄线宽的方式主要有单片集成、准单片集成和外腔光反馈。其中，单片集成方案中，主要是采用分布式反馈激光器(DistributedFeedback Laser，DFB)和分布式布拉格激光器(Distributed Bragg Reflection，DBR)实现，使用Ⅲ-Ⅴ族材料制备长腔长的半导体窄线宽激光器。根据肖洛-汤斯线宽计算公式可知，本征线宽与腔长成正相关。这种方案中，Ⅲ-Ⅴ族材料由于自身腔长和线宽展宽因子的限制，线宽较宽，且随着腔长进一步加长，损耗急剧增加，输出功率降低，无法满足窄线宽的需求，其线宽通常为百k赫兹级别，且调谐范围较小。
此外，准单片集成的窄线宽激光器一般通过端面耦合的方式连接外腔，存在空气隙且耦合对准精度要求高。外腔光反馈的窄线宽激光器，一般需要外加准直透镜进行耦合对准，稳定性差且不利于小尺寸集成。两者虽然突破了腔长的限制，光子寿命提高，线宽降低，但是耦合精度难以保证，抗环境干扰能力差。可见，现有的窄线宽的实现方案中，难以在窄线宽和耦合精度上均达到较佳效果。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法，其能够在保障耦合精度的同时，实现窄线宽且宽调谐范围。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种宽调谐范围窄线宽激光器，包括芯片层和无源波导器件，所述芯片层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，所述无源波导器件形成于所述芯片层的无源波导区；
所述芯片层由下至上依次包括基底、形成于所述基底且包括脊波导的氮化硅层、位于所述有源增益区且与所述氮化硅层上的脊波导键合的III-V族外延层；
所述无源波导器件包括基于所述氮化硅层制作形成的、级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔上沉积形成有加热金属电极。
在可选的实施方式中，所述氮化硅层上还形成有位于所述无源波导区的第一直波导和第二直波导，所述脊波导、第一直波导和第二直波导在宽度方向上间隔设置；
所述脊波导贯穿所述有源增益区和无源波导区，且与所述第一微环谐振腔级联；
所述第一直波导分别与所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔级联；
所述第二直波导与所述第二微环谐振腔级联。
在可选的实施方式中，所述第二直波导的远离所述有源增益区的一端通过耦合器连接有反射镜，以用于所述激光器的后端反射。
在可选的实施方式中，所述III-V族外延层在宽度方向上呈台阶结构；
所述台阶结构在长度方向上从所述有源增益区向所述无源波导区的方向宽度逐渐减小以形成楔形结构。
在可选的实施方式中，所述楔形结构在长度方向的长度为10um至500um。
在可选的实施方式中，所述激光器还包括形成于所述III-V族外延层的台阶结构表面的P电极，以及分别位于所述P电极两侧的N电极。
在可选的实施方式中，所述有源增益区的端面形成有增透膜，以作为所述激光器的出光端。
在可选的实施方式中，所述第一微环谐振腔的半径与所述第二微环谐振腔的半径之间的差值小于设定差值。
在可选的实施方式中，所述脊波导的宽度为10um至500um，所述脊波导的深度为0.2um至2um；
在宽度方向上所述脊波导两侧的沟槽的宽度1um至10um。
第二方面，本发明提供一种宽调谐范围窄线宽激光器制作方法，所述方法包括：
在基底上沉积形成氮化硅层；
对所述氮化硅层进行刻蚀形成脊波导，其中，所述氮化硅层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区；
于所述无源波导区在所述氮化硅层上制作形成级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔；
在所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔上沉积加热金属电极；
在提供的III-V族衬底上生长III-V族外延层，所述III-V族外延层包括靠近所述III-V族衬底的P型掺杂区和远离所述III-V族衬底的N型掺杂区；
将生长好的所述III-V族外延层上下倒置使得所述N型掺杂区在所述P型掺杂区下方、所述III-V族衬底在上，并于所述有源增益区与所述氮化硅层上的脊波导进行键合，去除所述III-V族衬底。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
本申请提供一种宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法，包括芯片层和无源波导器件，芯片层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，无源波导器件形成于芯片层的无源波导区。芯片层由下至上依次包括基底、形成于基底且包括脊波导的氮化硅层、位于有源增益区且与氮化硅层上的脊波导键合的III-V族外延层。无源波导器件包括基于氮化硅层制作形成的、级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔上沉积形成有加热金属电极。该激光器中，由于III-V族外延层横向对称性，键合前无需对准，保障了形成的激光器的稳定、高精度的耦合，同时，采用双微环谐振腔，可实现窄带滤波选模，输出稳定单模，线宽可压缩至百赫兹以下，并且，在微环上沉积有加热金属电极和双微环谐振腔的游标卡尺效应，基于热折射效应和游标效应进行调谐，可实现宽调谐范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的宽调谐范围窄线宽激光器的俯视图；
图2为图1中A-A部位的剖面图；
图3为图1中B-B部位的剖面图；
图4为图1中C-C部位的剖面图；
图5为本申请实施例提供的宽调谐范围窄线宽激光器制作方法的流程图。
图标：1-芯片层；11-基底；111-硅衬底；112-二氧化硅层；12-氮化硅层；121-脊波导；122-沟槽；123-第一直波导；124-第二直波导；13-III-V族外延层；131-n型层；132-多量子阱层；133-SCH层；134-p型层；2-无源波导器件；21-第一微环谐振腔；22-第二微环谐振腔；23-加热金属电极；24-耦合器；25-反射镜；3-P电极；4-N电极；5-增透膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请结合参阅图1、图2和图3，本申请实施例提供一种宽调谐范围窄线宽激光器，该激光器包括芯片层1和无源波导器件2，芯片层1在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，无源波导器件2形成于芯片层1的无源波导区。
需要说明的是，本实施例中所述的长度方向是指激光器的正视视角下的横向方向，相应地，宽度方向是指激光器的侧视视角下的横向方向。
其中，芯片层1由下至上依次包括基底11、形成于基底11上的氮化硅层12，其中，氮化硅层12上形成有脊波导121。在氮化硅层12上形成有位于有源增益区且与氮化硅层12上的脊波导121键合的III-V族外延层13。
此外，无源波导器件2包括基于氮化硅层12制作形成的、级联的第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积形成有加热金属电极23。
本实施例提供的宽调谐范围窄线宽激光器中，由于Ⅲ-Ⅴ族外延层13横向对称性，键合前无需对准，通过直接键合技术可将Ⅲ-Ⅴ族外延层13与氮化硅层12上脊波导121键合，光场可通过Ⅲ-Ⅴ族外延层13垂直耦合到下层脊波导121中，对耦合对准精准度要求低，可实现光场稳定耦合。同时，基于氮化硅层12制作形成的双微环谐振腔，基于窄带滤波选模，可实现稳定单模输出，可将线宽压缩至百赫兹以下。
此外，在双微环谐振腔上沉积形成有加热金属电极23，基于热折射效应和游标效应进行调谐，可实现宽调谐范围。本实施例提供的激光器在耦合精度、线宽以及调谐范围等方面，均能达到较佳效果。
本实施例中，所述的基底11包括由下至上的硅衬底111以及形成于硅衬底111上的二氧化硅层112。在二氧化硅层112上可沉积形成氮化硅层12，例如，可采用低压气相沉积工艺沉积形成氮化硅层12。沉积形成的氮化硅层12的厚度可为0.7um。
本实施例中，氮化硅层12可为Si3N4层，由于Si3N4层的波导损耗很低，可小于0.1dB/cm，因此，基于Si3N4层制作形成的双微环滤波器可具有较高品质因子Q。
在氮化硅层12上形成有脊波导121，该脊波导121贯穿有源增益区和无源波导区。本实施例中，可基于氮化硅层12并采用标准光刻技术和电感耦合等离子体(InductiveCoupled Plasma Emission Spectrometer，ICP)刻蚀以形成脊波导121。
其中，刻蚀深度也即脊波导121的深度为0.2um至2um。在宽度方向上，脊波导121的宽度为10um至500um。在宽度方向上，脊波导121的两侧分别具有沟槽122，两侧的沟槽122的宽度可为1um至10um。
作为一种可能的实现方式，脊波导121的两侧的沟槽122内填充有二氧化硅。
本实施例中，在氮化硅层12上还形成有位于无源波导区的第一直波导123和第二直波导124，脊波导121、第一直波导123和第二直波导124在宽度方向上间隔设置。
其中，脊波导121贯穿有源增益区和无源波导区，且与第一微环谐振腔21级联，第一直波导123分别与第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22级联，第二直波导124与第二微环谐振腔22级联。
其中，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积形成有加热金属电极23。
请结合参阅图4，第二微环谐振腔22包括基于氮化硅层12制作形成的谐振环，加热金属电极23包括沉积形成于谐振环上的电极片以及位于二氧化硅层112上且与谐振环连接的电极片。
第一微环谐振腔21的结构与第二微环谐振腔22的结构类似，区别在于，第一微环谐振腔21与第二微环谐振腔22的半径不同。本实施例中，第一微环谐振腔21的半径与第二微环谐振腔22的半径之间的差值小于设定差值。该设定差值例如可以是2um或3um等不限，可根据实际需求进行设置。
本实施例中，第一微环谐振腔21的半径为60um，第二微环谐振腔22的半径为62um，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22的半径接近但是不完全相等，利用较小的半径差异可得到接近的自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)。
利用热光效应，通过沉积加热金属电极23，加电时微环谐振腔内温度变化，进而有效折射率变化，波长也随之变化。并利用双环级联游标效应，即Vernier效应增加波长宽调谐范围，其中，微环谐振腔的自由光谱范围FSR与半径R的关系如下：
其中，λ表示激光波长，R表示微环谐振腔的半径，ng表示折射率。双微环谐振腔级联之后的自由光谱范围FSRVernier为：
其中，FSR1表示第一微环谐振腔21的自由光谱范围，FSR2表示第二微环谐振腔22的自由光谱范围。可见，双微环谐振腔级联之后，自由光谱范围扩大，波长宽调谐范围相应增大。
本实施例中，第二直波导124的远离有源增益区的一端通过耦合器24连接有反射镜25，以用于激光器的后端反射。其中，反射镜25可为环形反射镜，反射率可设置为95％。
本实施例中，在氮化硅层12上形成有III-V族外延层13，III-V族外延层13位于有源增益区且与氮化硅层12上的脊波导121键合，可采用直接键合技术将III-V族外延层13与氮化硅脊波导121进行键合。
本实施例中，可以在上述基于基底11沉积氮化硅层12、于氮化硅层12刻蚀形成脊波导121、制作第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22、于第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积加热金属电极23、在第二直波导124的末端制作耦合器24和反射镜25形成相应的第一芯片结构之后，基于提供的III-V族衬底生长III-V族外延层13形成第二芯片结构。
在键合之前，第二芯片结构中III-V族外延层13由下至上依次包括p型层134、SCH层133、MQW多量子阱层132、n型层131。将III-V族外延层13倒置(即层级结构上下位置关系倒换)，III-V族衬底朝上，与上述形成的第一芯片结构进行键合。其中，采用直接键合技术将III-V族外延层13与第一芯片结构中氮化硅层12上的脊波导121进行键合。
在键合之后，去除III-V族外延层13上的III-V族衬底，可采用HCl/H2O进行去除。在键合之后形成的激光器结构中，III-V族外延层13的层级结构与键合之前的层级结构上下位置关系倒换。
键合之后，III-V族外延层13除n型层131外，在宽度方向上III-V族外延层13剩余层级呈台阶结构，该台阶结构由下至上依次包括多量子阱层132、SCH层133以及p型层134。其中，多量子阱层132采用InAlGaAs多量子阱结构。
III-V族外延层13的台阶结构的形成可以是在宽度方向上，通过光刻、电感耦合等离子体将p型层134的两端进行刻蚀仅保留中间位置的p型层134，以暴露出两端的下层的SCH层133。再采用湿法腐蚀方式，对SCH层133、多量子阱层132进行腐蚀直至n型层131，以得到形成于n型层131上的由下至上由多量子阱层132、SCH层133以及p型层134构成的台阶结构。
其中，湿法腐蚀时可采用H3PO4/H2O2溶液进行腐蚀处理。
本实施例中，III-V族外延层13所形成的台阶结构在宽度方向上的宽度为70um至100um。
III-V族外延层13所形成的台阶结构在长度方向上从有源增益区向无源波导区的方向宽度逐渐减小以形成楔形结构。该楔形结构在长度方向上其长度可为10um至500um。
在制作该楔形结构时，可利用相应的楔形结构的掩膜进行遮蔽，将III-V族外延层13的其余部分暴露出来，再采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的方式，刻蚀III-V族外延层13以形成楔形结构。
该楔形结构从有源增益区向无源波导区的方向，宽度不断减小，在纵向某个位置其传播常数与下层的氮化硅层12相等，波导模式有效折射率相互匹配，从而实现光场的绝热传输，能够实现有源增益区和无源波导区之间的绝热传输。
本实施例中，激光器还包括形成于III-V族外延层13的台阶结构表面的P电极3，以及分别位于P电极3两侧的N电极4。其中，P电极3可以由Pd/Ti/Pd/Au合金构成，N电极4可以由Ni/Au/Ge/Ni/Au合金构成。N电极4分别位于P电极3的两侧，并且沉积形成于暴露的n型层131上。
结合参阅图1，由于III-V族外延层13在长度方向上呈楔形结构，沉积形成于III-V族外延层13上的P电极3在长度方向上由有源增益区向无源波导区的方向其宽度也相应逐渐减小。
本实施例中，在III-V族外延层13的有源增益区的端面形成有增透膜5，以作为激光器的出光端，用于输出激光。可以采用电子蒸镀方法于III-V族外延层13的有源增益区的端面镀增透膜5。
本实施例所提供的宽调谐范围窄线宽激光器，包括形成于基底11上的氮化硅层12，氮化硅层12上形成有脊波导121，其中，在氮化硅层12上形成有位于有源增益区且与氮化硅层12上的脊波导121键合的III-V族外延层13。由于Ⅲ-Ⅴ族外延层13横向对称性，键合前无需对准，通过直接键合技术，将III-V外延层13与无源氮硅波导键合，避免了耦合对准精度的问题。
此外，激光器还包括基于氮化硅层12制作形成的第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22，由于氮化硅层12，例如Si3N4的较低波导损耗，用其制作的双微环滤波器可具有较高的品质因子，利用双微环滤波器进行窄带滤波选模，可实现稳定单模输出，可将线宽压缩至百赫兹以下。
另外，在第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积有加热金属电极23，利用热折射效应和游标效应进行调谐，可实现宽调谐范围，可达到数十nm水平。
本实施例中，激光器中Ⅲ-Ⅴ族外延层13在长度方向上呈楔形结构，无需集成模式转换器，可以实现无源波导区和有源增益区之间的绝热传输。
本申请实施例还提供一种宽调谐范围窄线宽激光器制作方法，基于该制作方法可形成上述实施例中的宽调谐范围窄线宽激光器。请结合参阅图5，该制作方法可包括以下步骤。
S11，在基底11上沉积形成氮化硅层12。
S12，对所述氮化硅层12进行刻蚀形成脊波导121，其中，所述氮化硅层12在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区。
S13，于所述无源波导区在所述氮化硅层12上制作形成级联的第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22。
S14，在所述第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积加热金属电极23。
S15，在提供的III-V族衬底上生长III-V族外延层13，所述III-V族外延层13包括靠近所述III-V族衬底的P型掺杂区和远离所述III-V族衬底的N型掺杂区。
S16，将生长好的所述III-V族外延层13上下倒置使得所述N型掺杂区在所述P型掺杂区下方、所述III-V族衬底在上，并于所述有源增益区与所述氮化硅层12上的脊波导121进行键合，去除所述III-V族衬底。
本实施例中，基底11包括硅衬底111以及形成于硅衬底111上的二氧化硅层112。在二氧化硅层112上，可采用气相沉积工艺，例如低压气相沉积工艺沉积形成氮化硅层12。其中，沉积形成的氮化硅层12的厚度可为0.7um。
采用标准光刻技术和ICP工艺对氮化硅层12进行刻蚀以形成脊波导121，其中，形成的脊波导121的深度可为0.2um至2um，在宽度方向上，脊波导121的宽度为10um至500um。宽度方向上，位于脊波导121两侧的沟槽122的宽度可分别为1um至10um。
其中，氮化硅层12在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区。
于无源波导区位置，基于氮化硅层12制作第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22，其中，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22相互级联。第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22的半径不相等，但两者的半径可接近。例如，第一微环谐振腔21的半径可为60um，第二微环谐振腔22的半径可为62um。利用较小的半径差异可得到接近的FSR。
在第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积形成加热金属电极23，具体地，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22均包括基于氮化硅层12制作形成的谐振环，可于谐振环上沉积加热金属电极23，并且，于暴露出的下层的二氧化硅层112沉积加热金属电极23，二氧化硅层112上沉积的加热金属电极23与谐振环相连。
此外，本实施例中，于无源波导区，基于氮化硅层12还制作形成有第一直波导123和第二直波导124，其中，脊波导121、第一直波导123和第二直波导124在宽度方向上依次间隔设置。在第二直波导124的末端制作形成耦合器24和反射镜，用于后端反射。
在此基础上，在提供的III-V族衬底上生长III-V族外延层13，将III-V族外延层13上下倒置，使得III-V族衬底朝上，并于有源增益区与氮化硅层12上脊波导121通过直接键合工艺进行键合。
在键合之后，可使用溶液去除III-V族衬底，溶液可以是如HCl/H2O。
在键合之前，III-V族外延层13包括靠近III-V族衬底的P型掺杂区和远离III-V族衬底的N型掺杂区，进行键合时，将III-V族外延层13上下倒置，使得N型掺杂区在P型掺杂区喜爱方、III-V族衬底在上，进行键合。
在键合之后，III-V族外延层13由下至上依次包括n型层131(N型掺杂区)、多量子阱层132、SCH层133以及p型层134(P型掺杂区)。
进一步地，本实施例中，可通过光刻、电感耦合等离子体工艺于宽度方向上对p型层134的两端进行刻蚀，仅保留中间部分，以暴露出两端的下层的SCH层133。在此基础上，可采用湿法腐蚀方式腐蚀SCH层133、多量子阱层132直至n型层131，以在宽度方向上形成台阶结构。
进一步地，可采用干法刻蚀加湿法刻蚀的方式，对III-V族外延层13进行刻蚀，使得III-V族外延层13在长度方向上由有源增益区至无源波导区其宽度逐渐减小，以形成楔形结构。其中，楔形结构的长度可为100um至130um。
进一步地，于III-V族外延层13的台阶结构表面沉积合金形成P电极3，P电极3可由Pd/Ti/Pd/Au合金构成。此外，于P电极3的两侧、暴露出的n型层131上沉积合金形成N电极4，N电极4由Ni/Au/Ge/Ni/Au合金构成。
进一步地，在有源增益区的端面，采用电子蒸镀方式形成增透膜5，以作为激光器的出光端。
本实施例所提供的宽调谐范围窄线宽激光器制作方法，III-V族外延层13与氮化硅脊波导121采用直接键合方式进行键合，基于III-V族外延层13的横向对称性，可达到稳定地、高精准度地耦合。此外，基于氮化硅层12制作双微环谐振腔，在氮化硅的低波导损耗的基础上，基于高Q值的双微环谐振腔进行窄带滤波选模，可实现稳定单模输出，可以将线宽压缩至百赫兹以下。
进一步地，在双微环谐振腔上沉积加热金属电极23，利用热折射效应和游标效应进行调谐，可实现宽调谐范围。
本实施例所提供的宽调谐范围窄线宽激光器制作方法可制作形成上述实施例中的宽调谐范围窄线宽激光器，具体地可参见上述实施例中的相关描述，本实施例在此不作一一赘述。
综上所述，本申请实施例提供的宽调谐范围窄线宽激光器及其制作方法，包括芯片层1和无源波导器件2，芯片层1在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，无源波导器件2形成于芯片层1的无源波导区。芯片层1由下至上依次包括基底11、形成于基底11且包括脊波导121的氮化硅层12、位于有源增益区且与氮化硅层12上的脊波导121键合的III-V族外延层13。无源波导器件2包括基于氮化硅层12制作形成的、级联的第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22，第一微环谐振腔21和第二微环谐振腔22上沉积形成有加热金属电极23。
该激光器中，由于III-V族外延层13横向对称性，键合前无需对准，保障了形成的激光器的稳定、高精度的耦合，同时，采用双微环谐振腔，可实现窄带滤波选模，输出稳定单模，线宽可压缩至百赫兹以下，并且，在微环上沉积有加热金属电极23，基于热折射效应和游标效应进行调谐，可实现宽调谐范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，包括芯片层和无源波导器件，所述芯片层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区，所述无源波导器件形成于所述芯片层的无源波导区；
所述芯片层由下至上依次包括基底、形成于所述基底且包括脊波导的氮化硅层、位于所述有源增益区且与所述氮化硅层上的脊波导键合的III-V族外延层；
所述无源波导器件包括基于所述氮化硅层制作形成的、级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，所述第一微环谐振腔和所述第二微环谐振腔上沉积形成有加热金属电极。
2.根据权利要求1所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述氮化硅层上还形成有位于所述无源波导区的第一直波导和第二直波导，所述脊波导、第一直波导和第二直波导在宽度方向上间隔设置；
所述脊波导贯穿所述有源增益区和无源波导区，且与所述第一微环谐振腔级联；
所述第一直波导分别与所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔级联；
所述第二直波导与所述第二微环谐振腔级联。
3.根据权利要求2所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述第二直波导的远离所述有源增益区的一端通过耦合器连接有反射镜，以用于所述激光器的后端反射。
4.根据权利要求1所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述III-V族外延层在宽度方向上呈台阶结构；
所述台阶结构在长度方向上从所述有源增益区向所述无源波导区的方向宽度逐渐减小以形成楔形结构。
5.根据权利要求4所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述楔形结构在长度方向的长度为10um至500um。
6.根据权利要求4所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述激光器还包括形成于所述III-V族外延层的台阶结构表面的P电极，以及分别位于所述P电极两侧的N电极。
7.根据权利要求1所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述有源增益区的端面形成有增透膜，以作为所述激光器的出光端。
8.根据权利要求1所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述第一微环谐振腔的半径与所述第二微环谐振腔的半径之间的差值小于设定差值。
9.根据权利要求1所述的宽调谐范围窄线宽激光器，其特征在于，所述脊波导的宽度为10um至500um，所述脊波导的深度为0.2um至2um；
在宽度方向上所述脊波导两侧的沟槽的宽度1um至10um。
10.一种宽调谐范围窄线宽激光器制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在基底上沉积形成氮化硅层；
对所述氮化硅层进行刻蚀形成脊波导，其中，所述氮化硅层在长度方向上划分为有源增益区和无源波导区；
于所述无源波导区在所述氮化硅层上制作形成级联的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔；
在所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔上沉积加热金属电极；
在提供的III-V族衬底上生长III-V族外延层，所述III-V族外延层包括靠近所述III-V族衬底的P型掺杂区和远离所述III-V族衬底的N型掺杂区；
将生长好的所述III-V族外延层上下倒置使得所述N型掺杂区在所述P型掺杂区下方、所述III-V族衬底在上，并于所述有源增益区与所述氮化硅层上的脊波导进行键合，去除所述III-V族衬底。
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