CN117638643A - 光器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种光器件及其制作方法。该光器件包括：第一波导结构，第一波导结构包括依次堆叠于衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源，第一增益波导的输入端的正投影和第一传输波导的正投影至少部分重叠，第一增益波导用于耦合第一光源发射的第一泵浦光以及第一传输波导中传输的输入光信号，并对输入光信号进行放大；和/或，第二波导结构，第二波导结构包括依次堆叠于衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源，第二增益波导的输出端的正投影和第二传输波导的正投影至少部分重叠，第二增益波导用于耦合第二光源发射的第二泵浦光，并将第二泵浦光转换为激光信号，第二传输波导用于耦合并输出激光信号。

Description

光器件及其制作方法

技术领域

本公开实施例涉及光电子器件领域，尤其涉及一种光器件及其制作方法。

背景技术

近年来，硅光技术以惊人的速度发展，成为当今电子和光子技术的焦点。硅基光电子技术是将光子和电子共同作为信息载体，基于硅或与硅兼容材料的工艺平台，发展起来的大规模光电集成技术。硅光技术最有望成为光电集成的主要平台，广泛用于高速光互连的电路和芯片级的数据通信。

然而，对于硅光集成芯片来说，光源集成是当前仍未完全解决的难题。

发明内容

根据本公开实施例的第一方面，提供一种光器件，包括：

第一波导结构，位于衬底的第一区域上，包括：依次堆叠于所述衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；其中，所述第一增益波导的输入端的正投影和所述第一传输波导的正投影至少部分重叠；所述第一增益波导用于耦合所述第一光源发射的第一泵浦光以及所述第一传输波导中传输的输入光信号，并对所述输入光信号进行放大；

和/或，

第二波导结构，位于衬底的第二区域上，包括：依次堆叠于所述衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；其中，所述第二增益波导的输出端的正投影和所述第二传输波导的正投影至少部分重叠；所述第二增益波导用于耦合所述第二光源发射的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光转换为激光信号；所述第二传输波导用于耦合并输出所述激光信号；

其中，所述第二区域和所述第一区域为所述衬底表面的不同区域。

在一些实施例中，在所述光器件包括所述第一波导结构和所述第二波导结构时，所述第二传输波导的输出端连接所述第一传输波导的输入端。

在一些实施例中，所述第一增益波导包括第一光栅，所述第一光栅用于耦合所述第一泵浦光；

所述第二增益波导包括第二光栅，所述第二光栅用于耦合所述第二泵浦光。

在一些实施例中，所述第一波导结构还包括第一反射镜，所述第一反射镜包括朝向所述第一光源和所述第一光栅的第一弧面；其中，所述第一弧面用于反射所述第一泵浦光，并将反射的所述第一泵浦光聚焦至所述第一光栅；

所述第二波导结构还包括第二反射镜，所述第二反射镜包括朝向所述第二光源和所述第二光栅的第二弧面；其中，所述第二弧面用于反射所述第二泵浦光，并将反射的所述第二泵浦光聚焦至所述第二光栅。

在一些实施例中，所述第一光源的发射端和所述第一光栅分别位于所述第一弧面对应的椭圆的两个焦点处；所述第二光源的发射端和所述第二光栅分别位于所述第二弧面对应的椭圆的两个焦点处。

在一些实施例中，所述第二增益波导，包括：

增益区，用于吸收所述第二泵浦光以生成所述激光信号；

谐振腔，用于使所述激光信号谐振。

在一些实施例中，所述谐振腔包括以下至少一种：反射式谐振腔、分布式谐振腔。

在一些实施例中，所述第一增益波导包括：第一纤芯和包裹所述第一纤芯的第一包层，所述第一纤芯掺杂有稀土离子；或者，第一纤芯、包裹所述第一纤芯的增益区的第一内包层以及包裹所述第一纤芯和所述第一内包层的第一外包层，所述第一内包层掺杂有稀土离子；

所述第二增益波导包括：第二纤芯和包裹所述第二纤芯的第二包层，所述第二纤芯掺杂有稀土离子；或者，第二纤芯、包裹所述第二纤芯的增益区的第二内包层以及包裹所述第二纤芯和所述第二内包层的第二外包层，所述第二内包层掺杂有稀土离子。

在一些实施例中，所述第一波导结构包括光放大器；所述第二波导结构包括激光器。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种光器件的制作方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底的第一区域上形成第一波导结构；和/或，在所述衬底的第二区域上形成第二波导结构；其中，所述第一波导结构包括依次堆叠于所述衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；所述第一增益波导的输入端的正投影和所述第一传输波导的正投影至少部分重叠；所述第一增益波导用于耦合所述第一光源发射的第一泵浦光以及所述第一传输波导中传输的输入光信号，并对所述输入光信号进行放大；所述第二波导结构包括依次堆叠于所述衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；所述第二增益波导的输出端的正投影和所述第二传输波导的正投影至少部分重叠；所述第二增益波导用于耦合所述第二光源发射的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光转换为激光信号；所述第二传输波导用于耦合并输出所述激光信号；所述第二区域和所述第一区域为所述衬底表面的不同区域。

本公开实施例中，通过在衬底的第一区域上设置第一波导结构，第一波导结构包括依次堆叠于衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；第一增益波导的输入端的正投影和第一传输波导的正投影至少部分重叠；第一增益波导用于耦合第一光源发射的第一泵浦光以及第一传输波导中传输的输入光信号，并对输入光信号进行放大。如此，可将具有高电光转换效率的泵浦光源集成在第一增益波导上，最终实现用于片上光放大器的间接电泵浦的稀土波导光源的设计。

本公开实施例中，通过在衬底的第二区域上设置第二波导结构，第二波导结构包括依次堆叠于衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；第二增益波导的输出端的正投影和第二传输波导的正投影至少部分重叠；第二增益波导用于耦合第二光源发射的第二泵浦光，并将第二泵浦光转换为激光信号；第二传输波导用于耦合并输出激光信号。如此，可将具有高电光转换效率的泵浦光源集成在第二增益波导上，最终实现了用于片上激光器的间接电泵浦的稀土波导光源的设计。

附图说明

图1a至图1d是根据本公开实施例示出的一种光器件的结构示意图；

图2a和图2b是根据本公开实施例示出的增益波导内置谐振腔的示意图；

图3a和图3b是根据本公开实施例示出的一种增益波导的结构示意图；

图4是根据本公开实施例示出的一种光器件的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本公开的技术方案进一步详细阐述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方法，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻的理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体的描述本公开。根据下面说明和权利要求书，本公开的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本公开实施例的目的。

可以理解的是，本公开的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示其“在”某物“上”且其间没有居间特征或层(即直接在某物上)的含义，而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义。

在本公开实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本公开实施例中，术语“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可以在下方或上方结构的整体之上延伸，或者可以具有小于下方或上方结构范围的范围。此外，层可以是厚度小于连续结构厚度的均质或非均质连续结构的区域。例如，层可位于连续结构的顶表面和底表面之间，或者层可在连续结构顶表面和底表面处的任何水平面对之间。层可以水平、垂直和/或沿倾斜表面延伸。层可以包括多个子层。

需要说明的是，本公开实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

稀土掺杂的光波导为高速放大提供了一个潜在的解决方案，在集成光子学中得到了广泛的研究。与其他异质集成光源不同，稀土掺杂波导可用于单片集成，作为同一硅衬底上的光学器件间的连接光路。尽管目前很多研究表明，稀土掺杂波导与其他光学器件在硅光系统中的集成是可能的，但这些方案仍然存在一些问题。稀土掺杂的增益材料为绝缘介质，导电性较差，很难用电泵浦激发，目前仍没有实现电驱动的稀土掺杂波导。因此，稀土掺杂波导需要外部泵浦光源，这一难点使光电集成方案复杂化，并阻碍了与硅光系统的完全集成。

在传统方案中，外部泵浦光通过锥形光纤耦合并和信号光一起通过波分复用器件(Wavelength Division Multiplexing，WDM)合波输入到光芯片上的稀土掺杂波导中。这种外部泵浦方案全部在片外进行，增加了集成系统的复杂性，限制了稀土掺杂波导的集成度。

基于上述技术问题中的一个或多个，本公开实施例提供一种光器件及其制作方法。

图1a至图1d是根据本公开实施例示出的一种光器件1的结构示意图；其中，图1a是根据本公开实施例示出的一种第一波导结构20的立体示意图，图1b是根据本公开实施例示出的一种第一波导结构20的剖面示意图，图1c是根据本公开实施例示出的一种第二波导结构30的立体示意图，图1d是根据本公开实施例示出的一种第二波导结构30的剖面示意图。下面将结合图1a至图1d对本公开实施例提供的光器件1进行示例性的说明。

参照图1a和图1b所示，光器件1包括衬底10和位于衬底10的第一区域10a上的第一波导结构20；第一波导结构20包括依次堆叠于衬底10上的第一传输波导21、第一增益波导22和第一光源23；其中，第一增益波导22的输入端的正投影和第一传输波导21的正投影至少部分重叠；第一增益波导22用于耦合第一光源23发射的第一泵浦光以及第一传输波导21中传输的输入光信号，并对输入光信号进行放大。

衬底10的材料包括单质半导体材料(例如，硅(Si)、锗(Ge)等)、复合半导体材料(例如，锗硅(SiGe)、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GeOI))等。下面将以硅衬底为例进行说明。

第一波导结构20位于衬底10的第一区域10a上，第一波导结构20包括但不限于光放大器，第一波导结构20用于对输入光信号进行放大，并将放大的输入光信号输出。

示例性的，参照图1a和1b所示，输入光信号从第一传输波导21的左端输入至第一条形波导211，当输入光信号从第一条形波导211传输至第一锥形波导212(即与第一增益波导22重叠的区域)时，第一传输波导21中的输入光信号通过第一锥形波导212以倏逝波的形式耦合进入第一增益波导22，并经由第一泵浦光和第一增益波导22的增益区222放大；放大后的输入光信号再次以倏逝波的形式耦合回到第一锥形波导212，并经由第一传输波导21输出。这里，第一光源23发射的第一泵浦光提供能量。可以理解的是，第一传输波导21包括第一条形波导211和第一锥形波导212；其中，第一锥形波导212具有渐变耦合结构。

示例性的，参照图1b所示，第一泵浦光经由第一光栅221耦合进入第一增益波导22，当第一泵浦光经过第一增益波导22的增益区222时，增益区222的增益介质吸收第一泵浦光，由基态跃迁至激发态；当输入光信号通过增益区222时，增益介质由激发态跃迁回基态，同时以光子的形式释放能量，增益区222中的输入光信号吸收释放的能量，从而实现输入光信号的放大。这里，第一增益波导22包括第一光栅221，第一光栅221用于耦合第一泵浦光。在实际应用中，可在第一增益波导22的端部刻写形成第一光栅221。

第一传输波导21的材料包括：硅或氮化硅。

第一增益波导22的材料包括：掺杂稀土离子的材料。这里，稀土离子作为增益介质，提供光增益；通过在波导中充分利用稀土元素丰富的能级结构来实现高效的发光，从而实现光放大的功能。稀土离子包括：镱(Yb)离子、铒(Er)离子、铥(Tm)离子、镨(Pr)离子等；其中，稀土离子的选择可为铒离子，铒离子的能级结构可以在1.55μm附近产生宽光谱发光，对应于常用的光通信波段，且光子波长相对稳定，不易受到泵浦功率和基质环境的影响。

第一光源23包括：用于产生泵浦光的泵浦源，例如，激光二极管、发光二极管、固体激光器和气体激光器等。在一些实施例中，第一光源23可通过倒装键合的方式堆叠于第一光栅221上，从而可将第一传输波导21、第一增益波导22以及第一光源23集成在一起构成第一波导结构20，实现泵浦光源的集成，有利于降低硅光集成系统的复杂度；并且，通过层间耦合的方式，可有效发挥稀土掺杂波导的局部光放大的优势。

需要说明的是，图1a和图1b示出的光器件1可作为单个独立的光放大器，也可与其它光器件集成，例如，与调制器、激光器、光电探测器等集成为硅光集成系统，本公开对此并无特殊限制。

参照图1c和图1d所示，光器件1包括衬底10和位于衬底10的第二区域10b上的第二波导结构30；第二波导结构30包括依次堆叠于衬底10上的第二传输波导31、第二增益波导32和第二光源33；其中，第二增益波导32的输出端的正投影和第二传输波导31的正投影至少部分重叠；第二增益波导32用于耦合第二光源33发射的第二泵浦光，并将第二泵浦光转换为激光信号；第二传输波导31用于耦合并输出激光信号。

第二波导结构30位于衬底10的第二区域10b上，第二波导结构30包括但不限于激光器，第二波导结构30用于生成激光信号，并将生成的激光信号输出。

示例性的，参照图1c和图1d所示，第二泵浦光经由第二光栅321耦合进入第二增益波导32，当第二泵浦光经过第二增益波导32的增益区322时，增益区322的增益介质吸收第二泵浦光，吸收光子能量的增益介质发生能级跃迁并实现粒子数反转，反转后的粒子经过谐振，由激发态跃迁回基态，释放能量，并形成稳定的激光输出。这里，第二光源33发射的第二泵浦光提供能量；第二增益波导32包括第二光栅321，第二光栅321用于耦合第二泵浦光。在实际应用中，可在第二增益波导32的端部刻写形成第二光栅321。

示例性的，参照1d所示，激光信号传输至第二增益波导32的输出端(即与第二传输波导31重叠的区域)时，以倏逝波的形式耦合进入第二锥形波导312，并经由第二条形波导311输出。可以理解的是，第二传输波导31包括第二条形波导311和第二锥形波导312；其中，第二锥形波导312具有渐变耦合结构。需要说明的是，在倏逝耦合前后，稀土波导在水平方向上对光信号具有波导效应，使得光信号在水平通过波导时产生高的光增益。

第二传输波导31的材料包括：硅或氮化硅。

第二增益波导32的材料包括：掺杂稀土离子的材料。这里，稀土离子作为增益介质，提供光增益；通过在波导中充分利用稀土元素丰富的能级结构来实现高效的发光。稀土离子包括：镱(Yb)离子、铒(Er)离子、铥(Tm)离子、镨(Pr)离子等；其中，稀土离子的选择可为铒离子，铒离子的能级结构可以在1.55μm附近产生宽光谱发光，对应于常用的光通信波段，且光子波长相对稳定，不易受到泵浦功率和基质环境的影响。

第二光源33包括：用于产生泵浦光的泵浦源，例如，激光二极管、发光二极管、固体激光器和气体激光器等。在一些实施例中，第二光源33可通过倒装键合的方式堆叠于第二光栅321上，从而可将第二传输波导31、第二增益波导32以及第二光源33集成在一起构成第二波导结构30，实现泵浦光源的集成，有利于降低硅光集成系统的复杂度。

需要说明的是，图1c和图1d示出的光器件1可作为单个独立的激光器，也可与其它光器件集成，例如，与调制器、光放大器、光电探测器等集成为硅光集成系统，本公开对此并无特殊限制。

虽然图1a中仅示出了第一波导结构20、图1c中仅示出了第二波导结构30，但在其它实施例中，光器件1可同时包括第一波导结构20和第二波导结构30，第一波导结构20和第二波导结构30位于衬底10表面的不同区域上，即第二区域10b和第一区域10a。因此，可在同一衬底10上集成两种不同功能的光波导结构，有利于提高光器件1的集成度。

在一些实施例中，在光器件1包括第一波导结构20和第二波导结构30时，第二传输波导31的输出端连接第一传输波导21的输入端。例如，图1d中的第二传输波导31可与图1b中的第一传输波导21连接，第二传输波导31输出的激光信号可作为第一传输波导21的输入光信号，并在第一传输波导21中传输。

在一具体实施例中，第二传输波导31和第一传输波导21为连续的波导层，即第二传输波导31输出的激光信号可直接传输至第一传输波导21中，而无需其它的连接波导，并在第二传输波导31和第一传输波导21可在同一步骤形成，有利于简化光器件1的制作工艺。

在一些实施例中，参照图1b所示，第一波导结构20还包括第一反射镜25，第一反射镜25包括朝向第一光源23和第一光栅221的第一弧面；其中，第一弧面用于反射第一泵浦光，并将反射的第一泵浦光聚焦至第一光栅221。这里，第一弧面可以为弧面反射镜，从而可以对第一光源23发射的第一泵浦光进行反射和聚焦。

需要说明的是，第一弧面相对于入射光信号的剖面轮廓(参照图1b)可以满足多种曲线方程，如椭圆弧形曲线、双曲线、抛物线等。此外，第一弧面的立体轮廓(图中未示出)还可以满足多种曲面方程，如球面、椭圆球面、二次锥面等，这里仅需满足第一弧面朝向第一光源23和第一光栅221即可。

在一些实施例中，第一反射镜25除了第一弧面之外还可以包括其他凸面、凹面以及任意曲面。也就是说，第一反射镜25可以由多个曲面构成，且任意两个曲面之间可以连续也可以不连续，以满足光器件中反射或聚焦其他光信号的需求，因此这里并不对第一反射镜25的轮廓和形状作过多的限定。

第一光栅221用于接收第一反射镜25反射并聚焦的第一泵浦光，从而将第一泵浦光传输给第一增益波导22的增益区，从而实现第一波导结构20的泵浦光源的集成。示例性地，第一光栅221可以是光栅耦合结构，第一光栅221可以具有合适的面积尺寸以接收第一反射镜25反射并聚焦的第一泵浦光，因此第一反射镜25无需具有较高的聚焦度。也就是说，通过调整第一光栅221的位置，以及增大用于接收第一泵浦光的区域的面积，可以提高第一反射镜25与第一光栅221对准的冗余，从而降低倒装键合的对准难度。

本公开实施例中，可以利用单个第一反射镜25同时实现反射和聚焦功能，而无需多个光学组件(如反射镜、聚焦透镜、准直透镜等)的组合，有利于简化第一光源23发射的第一泵浦光的传输光路。

在一些实施例中，第一光源23的发射端和第一光栅221分别位于第一弧面对应的椭圆的两个焦点处。这里，第一弧面的剖面轮廓可以对应椭圆的一段弧线，第一光源23的发射端和第一光栅221可分别位于该椭圆的两个焦点处。如此，第一反射镜25可以最大程度地将第一光源23发射的第一泵浦光聚焦至第一光栅221上，以提高耦合效率。可以理解的是，当第一弧面的轮廓为其他曲面时，可以根据该曲面的方程，确定第一光源23的发射端和第一光栅221的位置，以提高耦合效率。

在一些实施例中，参照图1b所示，第一波导结构20还包括第一基板27，第一基板27用于承载第一光源23和第一反射镜25。示例性的，第一基板27包括第一凹槽，第一凹槽的深度小于第一基板27的厚度，第一凹槽的开口朝向第一增益波导22，第一光源23和第一反射镜25可位于第一凹槽中。这里，第一凹槽可以通过刻蚀等工艺形成，第一光源23和第一反射镜25可位于第一凹槽的底部。承载有第一光源23和第一反射镜25的第一基板27可倒扣在第一覆盖层24上，第一传输波导21和第一增益波导22位于第一覆盖层24中，第一覆盖层24的材料包括但不限于氧化硅。

在一些实施例中，参照图1b所示，第一波导结构20还包括位于第一凹槽底部的第一隔离器26，第一隔离器26位于第一光源23和第一反射镜25之间，第一隔离器26用于阻挡第一光栅221反射第一泵浦光形成的反射光信号，以减少反射光信号对第一光源23的损伤。第一隔离器26包括隔离器、偏振器等。需要说明的是，当第一光源23和第一反射镜25之间设置有第一隔离器26时，第一隔离器26可以透过第一光源23发射的第一泵浦光。

在一些实施例中，参照图1d所示，第二波导结构30还包括第二反射镜35，第二反射镜35包括朝向第二光源33和第二光栅321的第二弧面；其中，第二弧面用于反射第二泵浦光，并将反射的第二泵浦光聚焦至第二光栅321。这里，第二弧面可以为弧面反射镜，从而可以对第二光源33发射的第二泵浦光进行反射和聚焦。

需要说明的是，第二弧面相对于入射光信号的剖面轮廓(参照图1d)可以满足多种曲线方程，如椭圆弧形曲线、双曲线、抛物线等。此外，第二弧面的立体轮廓(图中未示出)还可以满足多种曲面方程，如球面、椭圆球面、二次锥面等，这里仅需满足第二弧面朝向第二光源33和第二光栅321即可。

在一些实施例中，第二反射镜35除了第二弧面之外还可以包括其他凸面、凹面以及任意曲面。也就是说，第二反射镜35可以由多个曲面构成，且任意两个曲面之间可以连续也可以不连续，以满足光器件中反射或聚焦其他光信号的需求，因此这里并不对第二反射镜35的轮廓和形状作过多的限定。

第二光栅321用于接收第二反射镜35反射并聚焦的第二泵浦光，从而将第二泵浦光传输给第二增益波导32的增益区，从而实现第二波导结构30的泵浦光源的集成。示例性地，第二光栅321可以是光栅耦合结构，第二光栅321可以具有合适的面积尺寸以接收第二反射镜35反射并聚焦的第二泵浦光，因此第二反射镜35无需具有较高的聚焦度。也就是说，通过调整第二光栅321的位置，以及增大用于接收第二泵浦光的区域的面积，可以提高第二反射镜35与第二光栅321对准的冗余，从而降低倒装键合的对准难度。

本公开实施例中，可以利用单个第二反射镜35同时实现反射和聚焦功能，而无需多个光学组件(如反射镜、聚焦透镜、准直透镜等)的组合，有利于简化第二光源33发射的第二泵浦光的传输光路。

在一些实施例中，第二光源33的发射端和第二光栅321分别位于第二弧面对应的椭圆的两个焦点处。这里，第二弧面的剖面轮廓可以对应椭圆的一段弧线，第二光源33的发射端和第二光栅321可分别位于该椭圆的两个焦点处。如此，第二反射镜35可以最大程度地将第二光源33发射的第二泵浦光聚焦至第二光栅321上，以提高耦合效率。可以理解的是，当第二弧面的轮廓为其他曲面时，可以根据该曲面的方程，确定第二光源33的发射端和第二光栅321的位置，以提高耦合效率。

在一些实施例中，参照图1d所示，第二波导结构30还包括第二基板37，第二基板37用于承载第二光源33和第二反射镜35。示例性的，第二基板37包括第二凹槽，第二凹槽的深度小于第二基板37的厚度，第二凹槽的开口朝向第二增益波导32，第二光源33和第二反射镜35可位于第二凹槽中。这里，第二凹槽可以通过刻蚀等工艺形成，第二光源33和第二反射镜35可位于第二凹槽的底部。承载有第二光源33和第二反射镜35的第二基板37可倒扣在第二覆盖层34上，第二传输波导31和第二增益波导32位于第二覆盖层34中，第二覆盖层34的材料包括但不限于氧化硅。

在一些实施例中，参照图1d所示，第二波导结构30还包括位于第二凹槽底部的第二隔离器36，第二隔离器36位于第二光源33和第二反射镜35之间，第二隔离器36用于阻挡第二光栅321反射第二泵浦光形成的反射光信号，以减少反射光信号对第二光源33的损伤。第二隔离器36包括隔离器、偏振器等。需要说明的是，当第二光源33和第二反射镜35之间设置有第二隔离器36时，第二隔离器36可以透过第二光源33发射的第二泵浦光。

在一些实施例中，参照图1c和图1d所示，第二增益波导32，包括：增益区322和谐振腔；增益区322用于吸收第二泵浦光以生成激光信号；谐振腔用于使激光信号谐振。当第二波导结构30作为激光器波导时，可在第二增益波导32中内置谐振腔，使得生成的激光信号谐振，从而提供正反馈作用。谐振腔包括以下至少一种：反射式谐振腔、分布式谐振腔。下面将结合图2a和图2b对第二增益波导32中内置谐振腔进行示例性的说明。

示例性的，参照图2a所示，可在增益区相对的两端分别刻写形成布拉格光栅M1和布拉格光栅M2，布拉格光栅M1和布拉格光栅M2构成反射式谐振腔。当然，在其它示例中，也可在增益区相对的两端中的一端刻写形成布拉格光栅M1或者在增益区相对的两端中的另一端刻写形成布拉格光栅M2，布拉格光栅M1(或者布拉格光栅M2)构成反射式谐振腔。需要说明的是，本示例中，增益区并未设置布拉格光栅，位于增益区相对的两端或者相对的两端中的一端的布拉格光栅是与增益区分隔开来的。

示例性的，参照图2b所示，可在增益区刻写形成布拉格光栅，布拉格光栅分布在整个增益区中构成分布式谐振腔，反馈作用是在整个腔内分布地完成的。这里，对布拉格光栅的设计应遵循布拉格公式：其中，m表示布拉格光栅的阶数，为正整数；λ₀为中心波长；n_eff为波导有效折射率。当在整个增益区设置分布式谐振腔时，还可在增益区内设置如图2b所示的1/4相移区，以改变光信号的相位。

本公开实施例中，通过在第二增益波导中内置谐振腔，可使得第二泵浦光转换得到的激光信号谐振，从而形成稳定的激光输出。

在一些实施例中，第一增益波导包括：第一纤芯和包裹第一纤芯的第一包层，第一纤芯掺杂有稀土离子；或者，第一纤芯、包裹第一纤芯的增益区的第一内包层以及包裹第一纤芯和第一内包层的第一外包层，第一内包层掺杂有稀土离子。

需要说明的是，本公开实施例中增益波导的选取需要考虑至少两点：波导基质的选择和稀土离子融入方式的选择；其中，稀土离子融入方式的选择与稀土掺杂材料的制备、材料的刻蚀性能有关。一方面，可通过离子注入工艺直接在波导基质中掺杂稀土离子，形成稀土掺杂的增益波导直接进行导模传输，此时，波导基质的选择通常选取低光学损耗的材料，且对稀土离子掺有着较高的固溶度，保证稀土离子的掺杂浓度，以获得较好的增益效果。可选的，对于铒离子而言，该波导基质可选取为氮化硅或薄膜铌酸锂，具有低损耗的光传输性质和较高的铒离子掺杂浓度。另一方面，可采用混合波导引导模式，在波导基质局部沉积掺杂稀土离子介质，如掺铒氧化铝、掺铒氧化硅等，作为波导基质的内包层，该稀土掺杂的内包层与波导基质形成混合型波导结构进行导模传输。此时，波导基质的选择不需要再考虑稀土离子的固溶度，可为任意低光学损耗的材料，如氮化硅等。下面将结合图3a和图3b对第一增益波导进行示例性的说明。

示例性的，参照图3a所示，第一增益波导包括第一纤芯22a和包裹第一纤芯22a的第一包层22b，第一纤芯22a中掺杂有稀土离子。第一纤芯22a的材料包括但不限于硅、氮化硅、铌酸锂等，第一包层22b的材料包括但不限于氧化硅，稀土离子包括：镱离子、铒离子、铥离子、镨离子等。

示例性的，参照图3b所示，第一增益波导包括第一纤芯22a、包裹第一纤芯22a的增益区的第一内包层22c以及包裹第一纤芯22a和第一内包层22c的第一外包层22b’，第一内包层22c掺杂有稀土离子。本示例中，第一纤芯22a可选择性的掺杂或者不掺杂稀土离子，第一内包层22c的材料包括但不限于掺铒氧化铝、掺铒氧化硅等，第一外包层22b’的材料可与上述第一包层22b的材料类似。

这里，可对第一纤芯22a的端部进行部分蚀刻，以在第一增益波导的端部形成第一光栅。需要说明的是，第一光栅的设计基于泵浦源的波长的布拉格条件，通常对应波长为980nm或1480nm。第一光栅的周期与光栅的有效折射率有关，在设计过程中第一光栅的周期选择的范围可以通过考虑对泵浦波长有效折射率的两个极值来获得，分别是未蚀刻和部分蚀刻区域的平板模式的有效折射率，最佳周期值通常略大于布拉格条件预测的值。

在一些实施例中，第二增益波导包括：第二纤芯和包裹第二纤芯的第二包层，第二纤芯掺杂有稀土离子；或者，第二纤芯、包裹第二纤芯的增益区的第二内包层以及包裹第二纤芯和第二内包层的第二外包层，第二内包层掺杂有稀土离子。关于第二增益波导的具体组成结构可与上述第一增益波导类似，为了简洁，不再赘述。

需要说明的是，当光器件同时包括第一波导结构和第二波导结构，且第二增益波导的组成结构和第一增益波导的组成结构相同时，第二增益波导和第一增益波导可在同一制程中形成，有利于简化光器件的制作工艺。

本公开实施例提供一种光器件，该光器件包括位于衬底的第一区域上的第一波导结构，第一波导结构包括依次堆叠于衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；第一增益波导的输入端的正投影和第一传输波导的正投影至少部分重叠；第一增益波导用于耦合第一光源发射的第一泵浦光以及第一传输波导中传输的输入光信号，并对输入光信号进行放大。如此，可将具有高电光转换效率的泵浦光源集成在第一增益波导上，作为电驱动光源以泵浦增益介质；通过对泵浦光源的局部调节，保证泵浦光信号聚焦收束到第一光栅上。同时，利用第一锥形波导倏逝波耦合的方式将输入光信号从第一传输波导中倏逝耦合到更大截面的第一增益波导中，最终实现了用于片上光放大器的间接电泵浦的稀土波导光源的设计。

本公开实施例提供另一种光器件，该光器件包括位于衬底的第二区域上的第二波导结构，第二波导结构包括依次堆叠于衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；第二增益波导的输出端的正投影和第二传输波导的正投影至少部分重叠；第二增益波导用于耦合第二光源发射的第二泵浦光，并将第二泵浦光转换为激光信号；第二传输波导用于耦合并输出激光信号。如此，可将具有高电光转换效率的泵浦光源集成在第二增益波导上，作为电驱动光源以泵浦增益介质；通过对泵浦光源的局部调节，保证泵浦光信号聚焦收束到第二光栅上。同时，利用第二锥形波导倏逝波耦合的方式将转换的激光信号从第二增益波导中倏逝耦合到第二传输波导中，最终实现了用于片上激光器的间接电泵浦的稀土波导光源的设计。

本公开实施例提供又一种光器件，该光器件包括上述第一波导结构以及上述第二波导结构。如此，可同一衬底上集成两种不同功能的光波导结构，有利于提高光器件的集成度，并实现了用于片上光放大器以及片上激光器的间接电泵浦的稀土波导光源的设计。

基于上述光器件，本公开实施例提供一种光器件的制作方法。

图4是根据本公开实施例示出的一种光器件的制作方法的流程图。参照图4所示，该制作方法至少包括以下步骤：

S401：提供衬底；

S402：在衬底的第一区域上形成第一波导结构；和/或，在衬底的第二区域上形成第二波导结构；其中，第一波导结构包括依次堆叠于衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；第一增益波导的输入端的正投影和第一传输波导的正投影至少部分重叠；第一增益波导用于耦合第一光源发射的第一泵浦光以及第一传输波导中传输的输入光信号，并对输入光信号进行放大；第二波导结构包括依次堆叠于衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；第二增益波导的输出端的正投影和第二传输波导的正投影至少部分重叠；第二增益波导用于耦合第二光源发射的第二泵浦光，并将第二泵浦光转换为激光信号；第二传输波导用于耦合并输出激光信号；第二区域和第一区域为衬底表面的不同区域。

需要说明的是，图4中所示的步骤并非排他的，也可以在所示操作中的任何步骤之前、之后或之间执行其他步骤；图4中所示的各步骤可以根据实际需求进行顺序调整。

下面将结合图1a和图1b以及图3a和图3b对形成第一波导结构的制作过程进行示例性的说明。

在步骤S401中，提供衬底10，衬底10的材料包括单质半导体材料(例如，硅(Si)、锗(Ge)等)、复合半导体材料(例如，锗硅(SiGe)、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GeOI))等。下面将以硅衬底为例进行说明。

在步骤S402中，在衬底10的第一区域10a上形成第一波导结构20。

第一波导结构20的形成过程包括：在衬底10上形成第一传输波导21；在第一传输波导21上形成第一增益波导22，使得第一增益波导22的输入端的正投影和第一传输波导21的正投影至少部分重叠；形成覆盖第一传输波导21和第一增益波导22的第一覆盖层24；将承载有第一光源23和第一反射镜25的第一基板27与第一光栅221对准并键合，使得第一光源23发射的第一泵浦光通过第一反射镜25的第一弧面反射并聚焦至第一光栅221上。

在一些实施例中，上述步骤S402还包括：在第一传输波导21上形成层间耦合调节层，层间耦合调节层位于第一增益波导22和第一传输波导21之间。层间耦合调节层的材料通常为二氧化硅，可以减小高折射率材料中的波导效应，从而有效调节波导截面中的光场分布。为保证耦合效率，层间耦合调节层的厚度控制在1μm以下。

在一些实施例中，第一覆盖层24覆盖第一增益波导22，第一覆盖层24的材料通常为二氧化硅，用于保护第一增益波导22以及透射上方的泵浦光。为保证耦合效率，第一增益波导22上方的第一覆盖层24的厚度通常为2至3μm。

在一些实施例中，第一增益波导22的形成工艺包括薄膜转移或者薄膜沉积。

对于薄膜沉积工艺，在传输波导制备完成后，生长一层氧化硅薄膜，并进行化学机械抛光和清洗，后续直接沉积掺杂有稀土离子的波导基质，如掺铒氮化硅等，并刻蚀形成所需的增益波导；或者，先沉积并刻蚀波导基质，在波导基质的局部选择性的沉积掺杂有稀土离子的介质，如掺铒氧化铝、掺铒氧化硅等，作为增益波导的内包层，形成混合型波导结构。

对于薄膜转移工艺，在传输波导制备完成后，生长一层氧化硅薄膜，并进行化学机械抛光和清洗，后续采用直接键合工艺，将稀土掺杂的薄膜材料倒扣在传输波导上贴片，并在不损伤硅材质的温度下退火，使两晶圆结合处的范德瓦尔斯力转化为化学键，具有较高的可行性。之后再采用干法和湿法刻蚀相结合的方法将稀土掺杂的薄膜刻蚀成所需的增益波导。该技术键合的薄膜尺寸较大，采用直接键合工艺，操作简单且无需精确对准，在大面积异质集成上有一定优势。

在一些实施例中，可以利用焊料(例如金锡焊料)将第一光源23贴装在热沉衬底上；在第一光源23的出光路径上，第一隔离器26和第一反射25镜依次贴装在热沉衬底上；固定有第一光源23、第一隔离器26和第一反射镜25的热沉衬底嵌入进第一基板27的第一凹槽中，且可以通过低温焊料将热沉衬底中的电极和第一基板27的电路连接起来；将第一基板27倒扣于第一覆盖层24上，使得第一凹槽的开口朝向第一光栅221，并形成密封空间。

这里，可以在第一基板27与第一覆盖层24的接触部位涂一层金属层，第一覆盖层24的对应贴合位置也局部沉积金属层，后续通过焊接将第一光源23与第一增益波导22固定，完成第一光源23的集成封装。

这里，第一反射镜25耦合对准于第一光栅221，第一反射镜25的反射角度依据第一光源23的的发射端和第一光栅221的位置进行调节，保证第一光源23发射的第一泵浦光入射至第一反射镜25的第一弧面，并经由第一弧面反射并聚焦至下方的第一光栅221。

在一些实施例中，第一光源23包括泵浦激光器，泵浦激光器的有源材料可采用应变GaAs多量子阱(MQW)结构或量子点(QD)结构，这种Ⅲ-Ⅴ族泵浦层可以在硅基上异质集成，方便集成封装，表现出良好的性能。与传统的泵浦激光器结构相比，量子结构中载流子的能量具有不连续的离散值，导致了阶跃态密度，且应变引起的价带变化也降低了阈值电流密度。因此，量子结构的激光器作为泵浦激光器，具有阈值电流低、量子效率高、输出功率大、调制带宽宽、温度依赖性低等优点。

在实际应用时，可夹持固定有第一光源、第一隔离器、第一反射镜以及热沉衬底的第一基板，在第一增益波导的上方调节第一基板的位置，以使第一反射镜与第一光栅对准。例如，可通过外置探针夹具给泵浦激光器施加电压，用光谱仪测试第一增益波导输出的传输谱，确定第一增益波导对泵浦光的吸收效率，调节泵浦激光器的位置直至传输谱在泵浦波长下的吸收率达到最大，涂胶固化倒装的第一基板，完成最终的对准。

下面将结合图1c和图1d对形成第二波导结构的制作过程进行示例性的说明。

在步骤S401中，提供衬底10，衬底10的材料包括单质半导体材料(例如，硅(Si)、锗(Ge)等)、复合半导体材料(例如，锗硅(SiGe)、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上锗(GeOI))等。下面将以硅衬底为例进行说明。

在步骤S402中，在衬底10的第二区域10b上形成第二波导结构30。

第二波导结构30的形成过程包括：在衬底10上形成第二传输波导31；在第二传输波导31上形成第二增益波导32，使得第二增益波导32的输出端的正投影和第二传输波导31的正投影至少部分重叠；形成覆盖第二传输波导31和第二增益波导32的第二覆盖层34；将承载有第二光源33和第二反射镜35的第二基板37与第二光栅321对准并键合，使得第二光源33发射的第二泵浦光通过第二反射镜35的第二弧面反射并聚焦至第二光栅321上。

在一些实施例中，上述步骤S402还包括：在第二传输波导31上形成层间耦合调节层，层间耦合调节层位于第二增益波导32和第二传输波导31之间。层间耦合调节层的材料通常为二氧化硅，可以减小高折射率材料中的波导效应，从而有效调节波导截面中的光场分布。为保证耦合效率，层间耦合调节层的厚度控制在1μm以下。

在一些实施例中，第二覆盖层34覆盖第二增益波导32，第二覆盖层34的材料通常为二氧化硅，用于保护第二增益波导32以及透射上方的泵浦光。为保证耦合效率，第二增益波导32上方的第二覆盖层34的厚度通常为2至3μm。

第二增益波导32的形成工艺与上述第一增益波导22的形成工艺类似，关于第二增益波导32的形成工艺可参考上述第一增益波导22的相关描述，为了简洁，不再赘述。

第二光源33的集成封装与第一光源23的集成封装类似，关于第二光源33的集成封装可参考上述第一光源23的相关描述，为了简洁，不再赘述。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光器件，其特征在于，包括：

第一波导结构，位于衬底的第一区域上，包括：依次堆叠于所述衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；其中，所述第一增益波导的输入端的正投影和所述第一传输波导的正投影至少部分重叠；所述第一增益波导用于耦合所述第一光源发射的第一泵浦光以及所述第一传输波导中传输的输入光信号，并对所述输入光信号进行放大；

和/或，

第二波导结构，位于衬底的第二区域上，包括：依次堆叠于所述衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；其中，所述第二增益波导的输出端的正投影和所述第二传输波导的正投影至少部分重叠；所述第二增益波导用于耦合所述第二光源发射的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光转换为激光信号；所述第二传输波导用于耦合并输出所述激光信号；

其中，所述第二区域和所述第一区域为所述衬底表面的不同区域。

2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，在所述光器件包括所述第一波导结构和所述第二波导结构时，所述第二传输波导的输出端连接所述第一传输波导的输入端。

3.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述第一增益波导包括第一光栅，所述第一光栅用于耦合所述第一泵浦光；

所述第二增益波导包括第二光栅，所述第二光栅用于耦合所述第二泵浦光。

4.根据权利要求3所述的光器件，其特征在于，所述第一波导结构还包括第一反射镜，所述第一反射镜包括朝向所述第一光源和所述第一光栅的第一弧面；其中，所述第一弧面用于反射所述第一泵浦光，并将反射的所述第一泵浦光聚焦至所述第一光栅；

所述第二波导结构还包括第二反射镜，所述第二反射镜包括朝向所述第二光源和所述第二光栅的第二弧面；其中，所述第二弧面用于反射所述第二泵浦光，并将反射的所述第二泵浦光聚焦至所述第二光栅。

5.根据权利要求4所述的光器件，其特征在于，所述第一光源的发射端和所述第一光栅分别位于所述第一弧面对应的椭圆的两个焦点处；所述第二光源的发射端和所述第二光栅分别位于所述第二弧面对应的椭圆的两个焦点处。

6.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述第二增益波导，包括：

增益区，用于吸收所述第二泵浦光以生成所述激光信号；

谐振腔，用于使所述激光信号谐振。

7.根据权利要求6所述的光器件，其特征在于，所述谐振腔包括以下至少一种：反射式谐振腔、分布式谐振腔。

8.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述第一增益波导包括：

第一纤芯和包裹所述第一纤芯的第一包层，所述第一纤芯掺杂有稀土离子；或者，第一纤芯、包裹所述第一纤芯的增益区的第一内包层以及包裹所述第一纤芯和所述第一内包层的第一外包层，所述第一内包层掺杂有稀土离子；

所述第二增益波导包括：

第二纤芯和包裹所述第二纤芯的第二包层，所述第二纤芯掺杂有稀土离子；或者，第二纤芯、包裹所述第二纤芯的增益区的第二内包层以及包裹所述第二纤芯和所述第二内包层的第二外包层，所述第二内包层掺杂有稀土离子。

9.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于，所述第一波导结构包括光放大器；所述第二波导结构包括激光器。

10.一种光器件的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底的第一区域上形成第一波导结构；和/或，在所述衬底的第二区域上形成第二波导结构；其中，所述第一波导结构包括依次堆叠于所述衬底上的第一传输波导、第一增益波导和第一光源；所述第一增益波导的输入端的正投影和所述第一传输波导的正投影至少部分重叠；所述第一增益波导用于耦合所述第一光源发射的第一泵浦光以及所述第一传输波导中传输的输入光信号，并对所述输入光信号进行放大；所述第二波导结构包括依次堆叠于所述衬底上的第二传输波导、第二增益波导和第二光源；所述第二增益波导的输出端的正投影和所述第二传输波导的正投影至少部分重叠；所述第二增益波导用于耦合所述第二光源发射的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光转换为激光信号；所述第二传输波导用于耦合并输出所述激光信号；所述第二区域和所述第一区域为所述衬底表面的不同区域。