CN117673893A - 一种激光器件、制作方法及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光器件、制作方法及激光雷达，激光器件包括：第一衬底；设于第一衬底之上的绝缘层；在绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底的光传输的方向，阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端；在各相控阵列光输入端之上和各相控阵列光输入端覆盖之外的阵列光输入区设有波导盖层；其中，激光器与多模干涉光放大器设于同一有源衬底结构之上，激光器与多模干涉光放大器之间设有电隔离沟，有源衬底结构的底部与第一衬底的顶部键合，形成了高功率光源并进行级联分束，降低了输出至硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应的影响，进而增大了激光雷达的探测距离。

Description

一种激光器件、制作方法及激光雷达

技术领域

本申请属于半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种激光器件、制作方法及激光雷达。

背景技术

目前激光雷达中的硅基光学相控阵芯片的光输入波导尺寸在百纳米量级，在接受高光功率光源输入时，硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应影响大，双光子吸收严重，导致硅基光学相控阵芯片的光输入功率受到限制，不能承受高功率激光光源的输入，降低了激光雷达的探测距离。

现有技术存在与硅基光学相控阵芯片匹配的大功率激光光源的输出光功率密度过高的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种激光器件、制造方法及激光雷达，可以解决与硅基光学相控阵芯片匹配的大功率激光光源的输出光功率密度过高的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种激光器件，包括：

第一衬底；

设于所述第一衬底之上的绝缘层；

在所述绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，所述第一方向为平行于所述第一衬底的光传输的方向，所述阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端；

在各所述相控阵列光输入端之上和各所述相控阵列光输入端覆盖之外的所述阵列光输入区设有波导盖层；

其中，所述激光器与所述多模干涉光放大器设于同一有源衬底结构之上，所述激光器与所述多模干涉光放大器之间设有电隔离沟，所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部键合。

在其中一个实施例中，所述在所述绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，包括：

在未覆盖所述绝缘层的预设位置沿第一方向依次设置所述激光器和所述多模干涉光放大器，在所述绝缘层之上的靠近所述多模干涉光放大器的一端设置各所述相控阵列光输入端，各所述相控阵列光输入端处于所述阵列光输入区；

其中，所述激光器和所述多模干涉光放大器的光场中心与各所述相控阵列光输入端的光场中心平齐。

在其中一个实施例中，所述有源衬底结构自下至上包括N型电极层、第二衬底、下盖层及下波导层；

所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部键合，包括：

所述有源衬底结构的N型电极层通过焊料层与所述第一衬底的顶部键合。

在其中一个实施例中，所述激光器自所述有源衬底结构向上包括第一量子阱有源区、具有布拉格光栅的第一上波导层、第一上盖层、第一接触层及第一P型注入电极。

在其中一个实施例中，所述多模干涉光放大器自所述有源衬底结构向上包括第二量子阱有源区、第二上波导层、第二上盖层、第二接触层及第二P型注入电极。

在其中一个实施例中，所述多模干涉光放大器包括光放大器输入端和第一预设数量的光放大器输出端，所述相控阵列光输入端包括倒锥光输入端、多模干涉光分束器及第二预设数量的相控光输出端；

其中，所述倒锥光输入端的第一端与所述光放大器输出端一一对应，所述倒锥光输入端的第二端与所述多模干涉光分束器的第一端连接，所述多模干涉光分束器的第二端连接各所述相控光输出端。

在其中一个实施例中，所述激光器远离所述多模干涉光放大器的前腔面覆盖预设厚度的增反膜，所述多模干涉光放大器远离所述激光器的出射端覆盖所述预设厚度的增透膜。

在其中一个实施例中，所述下盖层的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³；

所述下波导层的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³；

所述第一上波导层和所述第二上波导层的掺杂浓度范围均为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³；

所述第一上盖层和所述第二上盖层的掺杂浓度范围均为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³；

所述第一接触层和所述第二接触层的掺杂浓度范围均为1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁹/cm³。

第二方面，本申请实施例提供了一种激光器件的制作方法，在同一有源衬底结构之上形成所述激光器与所述多模干涉光放大器，所述激光器与所述多模干涉光放大器之间设有电隔离沟；

形成第一衬底；

在所述第一衬底之上形成绝缘层；

刻蚀所述绝缘层形成与所述有源衬底结构对应的预设位置；

沿第一方向，在所述绝缘层之上的远离所述预设位置的一端形成多个所述相控阵列光输入端，各所述相控阵列光输入端处于所述阵列光输入区，所述第一方向为平行于所述第一衬底的光传输的方向；

在各所述相控阵列光输入端之上和各所述相控阵列光输入端覆盖之外的所述阵列光输入区形成波导盖层；

沿所述第一方向，在所述预设位置依次放置具有同一所述有源衬底结构的所述激光器和所述多模干涉光放大器，并将所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部进行键合；

其中，所述激光器和所述多模干涉光放大器的光场中心与各所述相控阵列光输入端的光场中心平齐。

第三方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，包括如第一方面内容中任一项所述的激光器件。

可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面内容中的相关描述，在此不再赘述。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例的激光器件通过第一衬底；设于第一衬底之上的绝缘层；在绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底的光传输的方向，阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端；在各相控阵列光输入端之上和各相控阵列光输入端覆盖之外的阵列光输入区设有波导盖层；其中，激光器与多模干涉光放大器设于同一有源衬底结构之上，激光器与多模干涉光放大器之间设有电隔离沟，有源衬底结构的底部与第一衬底的顶部键合，由于多模干涉光放大器放大激光器产生的激光以形成高功率光源，再通过多模干涉光放大器的一级分束与级联的多个相控阵列光输入端的二级分束，输出大功率的高密度阵列光束，且又能输出与硅基光学相控阵芯片的光输入波导匹配的单束低密度光功率的激光，从而降低了硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应的影响，进而增大了激光雷达的探测距离。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种激光器件的结构示意图；

图2是本申请一实施例提供的一种激光器件的部分结构的俯视示意图；

图3是本申请一实施例提供的一种激光器件沿A1-A2的剖面结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的一种激光器件沿B1-B2的剖面结构示意图；

图5是本申请一实施例提供的多模干涉光放大器在取多个基横模的自镜像点为出光端的原理示意图；

图6是本申请一实施例提供的多模干涉光放大器的输出端放大和分束的示意图；

图7是本申请一实施例提供的多模干涉光放大器的4个输出通道随着输入激光的波长增加的功率放大分束示意图；

图8是本申请实施例提供的一种激光器件的制作方法的流程示意图。

各附图中标记：

10、第一衬底；11、绝缘层；12、焊料层；

20、有源衬底结构；21、N型电极层；22、第二衬底；23、下盖层；24、下波导层；

30、激光器；31、第一量子阱有源区；32、第一上波导层；321、布拉格光栅；33、第一上盖层；34、第一接触层；35、第一P型注入电极；36、电隔离沟；

40、多模干涉光放大器；41、光放大器输入端；42、光放大器输出端；411、第二量子阱有源区；412、第二上波导层；413、第二上盖层；414、第二接触层；415、第二P型注入电极；

50、相控阵列光输入端；51、倒锥光输入端；52、多模干涉光分束器；53、相控光输出端、54；波导盖层。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

目前激光雷达中的硅基光学相控阵芯片采用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)硅基的方式进行生产，故硅基光学相控阵芯片的光输入波导尺寸在百纳米量级。由于在接受高光功率光源输入时，硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应影响大，双光子吸收严重，导致硅基光学相控阵芯片不能承受单束光功率密度高的大功率激光光源的输入，使得硅基光学相控阵芯片的光输入功率受到限制，进而降低了激光雷达的探测距离。

现有技术存在与硅基光学相控阵芯片匹配的大功率激光光源的输出光功率密度过高的问题。

为了匹配硅基光学相控阵芯片，本申请提供了一种激光器件，在激光光源保持输出高光功率时，还同时降低了激光器件的单束的输出光功率密度，从而降低了硅基光学相控阵芯片的非线性效应，进而增大了激光雷达的探测距离。

如图1所示，本申请实施例的激光器件包括第一衬底10；设于第一衬底10之上的绝缘层11；在绝缘层11沿第一方向依次设置的激光器30、多模干涉光放大器40及阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底10的光传输的方向，阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端50；在各相控阵列光输入端50之上和各相控阵列光输入端覆盖之外的阵列光输入区设有波导盖层54；其中，激光器30与多模干涉光放大器40设于同一有源衬底结构20之上，激光器30与多模干涉光放大器40之间设有电隔离沟36，有源衬底结构20的底部与第一衬底10的顶部键合；由于多模干涉光放大器放大激光器产生的激光形成高功率光源，再通过多模干涉光放大器的一级分束与级联的多个相控阵列光输入端的二级分束，输出大功率的高密度阵列光束，且又分束输出了与硅基光学相控阵芯片的光输入波导匹配的单束低密度光功率的激光，从而降低了硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应的影响，进而增大了激光雷达的探测距离。

下面通过具体的实施例来说明本申请的技术方案。

第一方面，如图1、图2所示，本实施例提供了一种激光器件，包括：括第一衬底10；设于第一衬底10之上的绝缘层11；在绝缘层11沿第一方向依次设置的激光器30、多模干涉光放大器40及阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底10的光传输的方向，阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端50；在各相控阵列光输入端50之上和各相控阵列光输入端50覆盖之外的阵列光输入区设有波导盖层54；其中，激光器30与多模干涉光放大器40设于同一有源衬底结构20之上，激光器30与多模干涉光放大器40之间设有电隔离沟36，有源衬底结构20的底部与第一衬底10的顶部键合。

在一些实施例中，第一衬底10的材料为绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)材料的硅，绝缘层11的材料为绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)材料的二氧化硅。

在一些实施例中，在绝缘层11沿第一方向依次设置的激光器30、多模干涉光放大器40及阵列光输入区，包括：

在未覆盖绝缘层11的预设位置沿第一方向依次设置的激光器30和多模干涉光放大器40，在绝缘层11之上的靠近多模干涉光放大器40的一端设置各相控阵列光输入端50，各相控阵列光输入端50处于阵列光输入区；其中，激光器30和多模干涉光放大器40的光场中心与各相控阵列光输入端50的光场中心平齐，提高了多模干涉光放大器输出至各相控阵列光输入端50的激光比例，降低了光损失。需要说明的是，光场中心表征为激光器30和多模干涉光放大器40的输出激光通道或相控阵列光输入端50的输入激光通道。

在一些实施例中，在绝缘层11沿第一方向依次设置的激光器30、多模干涉光放大器40及阵列光输入区，还包括：

在绝缘层11的预设位置的沟槽中沿第一方向依次设置的激光器30和多模干涉光放大器40，在绝缘层11之上的靠近多模干涉光放大器40的一端设置各相控阵列光输入端50，各相控阵列光输入端50处于阵列光输入区；其中，沟槽的深度大于绝缘层11的厚度，沿第一方向的沟槽的长度大于有源衬底结构20的长度，沿第二方向的沟槽的宽度大于有源衬底结构20的宽度，第二方向为平行于第一衬底10并垂直于第一方向的方向，提高了多模干涉光放大器输出至各相控阵列光输入端50的激光比例，降低了光损失，同时绝缘层还能对激光器30和多模干涉光放大器40进行物理保护。

在一些实施例中，预设位置为第一衬底10在第一方向的远离阵列光输入区的端部的中点向沿第一方向延伸大于有源衬底结构20的长度至阵列光输入区，以及第一衬底10在第二方向的中线向两侧延伸大于有源衬底结构20的宽度的区域。

在一些实施例中，如图2、图3所示，有源衬底结构20自下至上包括N型电极层21、第二衬底22、下盖层23及下波导层24；其中，N型电极层21的材料为合金材料，例如，镍锗金合金(AuGeNi)；第二衬底22的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如，砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)；下盖层23的材料也为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如砷镓铝(AlGaAs)、砷镓铟(InGaAs)、磷砷镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、磷铟镓铝(AlGaInP)、或砷铟镓铝(AlGaInAs)中至少一种，下盖层23的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³，下盖层23为N型导电层，下盖层23的厚度的取值范围为1μm～3μm(即1000nm～3000nm)；下波导层24的材料也为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如砷镓铝(AlGaAs)、砷镓铟(InGaAs)、磷砷镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、磷铟镓铝(AlGaInP)、或砷铟镓铝(AlGaInAs)中至少一种，下波导层24的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³，下波导层24也为N型导电层，下波导层24的厚度的取值范围为100nm～1000nm。

在一些实施例中，如图3所示，电隔离沟36依次贯穿第一P型注入电极35和第二P型注入电极415所在层、第一接触层34和第二接触层414所在层，并刻蚀至第一上盖层33和第二上盖层413的所在层的预设深度，预设深度小于第一上盖层33和第二上盖层413的所在层的厚度，以截断载流子在激光器30与多模干涉光放大器40之间的流动。

在一些实施例中，有源衬底结构20的底部与第一衬底10的顶部键合，包括：

有源衬底结构20的N型电极层21通过焊料层12与第一衬底10的顶部键合，其中，焊料层12的材料为金锡合金(AuSn)、铟(In)或者银浆。

在一些实施例中，有源衬底结构20的底部与第一衬底10的顶部键合，还包括：

在阵列光输入区覆盖第一衬底10之外的第一衬底10的顶部区域设置键合金属层，键合金属层通过焊料层12与有源衬底结构20的N型电极层21进行键合，便于通过未被有源衬底结构20覆盖的键合金属层进行电流注入。

在一些实施例中，如图3所示，激光器30自有源衬底结构20向上包括第一量子阱有源区31、具有布拉格光栅321的第一上波导层32、第一上盖层33、第一接触层34及第一P型注入电极35；其中，第一量子阱有源区31为多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器30激射波长相匹配，多量子阱结构为一种应变补偿结构，且多量子阱结构的折射率大于波导层的折射率，多量子阱结构为Ⅲ-Ⅴ族材料对多量子阱，例如，砷镓铟(InGaAs)/砷化镓(GaAs)、砷镓铟(InGaAs)/砷镓铝(AlGaAs)、或砷镓铟(InGaAs)/磷砷镓(GaAsP)；具有布拉格光栅321的第一上波导层32的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如砷镓铝(AlGaAs)、砷镓铟(InGaAs)、磷砷镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、磷铟镓铝(AlGaInP)、或砷铟镓铝(AlGaInAs)中至少一种，第一上波导层32的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³，第一上波导层32为P型导电层，第一上波导层32的厚度的取值范围为100nm～1000nm，第一上波导层32的布拉格光栅321沿第一方向排列，每个布拉格光栅321的周期为200nm～600nm，占空比为0.1～0.8，每个布拉格光栅321之间的刻蚀深度小于第一上波导层32的厚度；第一上盖层33的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如砷镓铝(AlGaAs)、砷镓铟(InGaAs)、磷砷镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、磷铟镓铝(AlGaInP)、或砷铟镓铝(AlGaInAs)中至少一种，第一上盖层33的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³，第一上盖层33为P型导电层，第一上盖层33的厚度的取值范围为1μm～2μm(即1000nm～2000nm)；第一接触层34的材料为高掺杂的砷化镓(GaAs)或者砷镓铟(InGaAs)，第一接触层34为P型导电层第一接触层34的掺杂浓度范围为1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁹/cm³；第一P型注入电极35的材料为金钛金、钛金或者钛铂金，第一P型注入电极35的厚度的取值范围为200nm～2000nm；根据德鲁德模型(Drude模型)，材料折射率与掺杂浓度有很强的关系，例如，各材料层的折射率随掺杂浓度的升高而降低，故第一上波导层32、第二上波导层412及下波导层24比下盖层23、第一上盖层33及第二上盖层413具有更高的折射率，第一量子阱有源区31和第二量子阱有源区411两侧的高折射率波导层提高了光场限制因子，降低了激光在有源区和波导层之外的光学损耗。在有源结构衬底的N型电极层21和第一P型注入电极35同时注入电流后，激光器30的第一量子阱有源区31激发出第一激光，由于第一激光形成的光斑的直径大于第一量子阱有源区31的厚度，故第一激光会覆盖第一量子阱有源区31、具有布拉格光栅321的第一上波导层32和下波导层24，然后在具有布拉格光栅321的第一上波导层32和下波导层24的共同限制下传输至至多模干涉光放大器40。

在一些实施例中，如图3所示，多模干涉光放大器40自有源衬底结构20向上包括第二量子阱有源区411、第二上波导层412、第二上盖层413、第二接触层414及第二P型注入电极415，多模干涉光放大器40的第二量子阱有源区411与激光器30的第一量子阱有源区31的结构、掺杂浓度、导电类型及厚度均相同，多模干涉光放大器40的第二上盖层413与激光器30的第一上盖层33的结构、掺杂浓度、导电类型及厚度均相同，多模干涉光放大器40的第二接触层414与激光器30的第一接触层34的结构、掺杂浓度、导电类型及厚度均相同，多模干涉光放大器40的第二P型注入电极415与激光器30的第一P型注入电极35的结构、掺杂浓度、导电类型及厚度均相同，其中，第二上波导层412没有设置布拉格光栅321，其余特性与第一上波导层32均相同，第二上波导层412的材料为Ⅲ-Ⅴ族材料，例如砷镓铝(AlGaAs)、砷镓铟(InGaAs)、磷砷镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、磷铟镓铝(AlGaInP)、或砷铟镓铝(AlGaInAs)中至少一种，第二上波导层412的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³，第二上波导层412为P型导电层，第二上波导层412的厚度的取值范围为100nm～1000nm。

在一些实施例中，多模干涉光放大器40包括光放大器输入端41和第一预设数量的光放大器输出端42，其中，沿第一方向，光放大器输入端41的长度等于光放大器输出端42的长度，或者光放大器输入端41的长度不等于光放大器输出端42的长度，多模干涉光放大器40在有源结构衬底的N型电极层21和第二P型注入电极415同时注入电流后，多模干涉光放大器40的第二量子阱有源区411接收从具有布拉格光栅321的第一上波导层32、第一量子阱有源区31及下波导层24传输过来的第一激光，第一激光进入不具有布拉格光栅321的第二上波导层412和第二上波导层412对应的下波导层24部分，且第二量子阱有源区411对第一激光进行放大激发形成功率更高的第二激光，同时，第二激光在多模干涉光放大器40的光放大器输入端41中发生干涉形成第一预设数量的第三激光，第三激光经过第一预设数量的光放大器输出端42分束后形成对应的第一预设数量的第四激光，将各第四激光分别传输至相控阵列光输入端50，从而多模干涉光放大器40同时实现了放大、干涉及分束的功能，既实现了输出大功率的高密度阵列光束，且又分束输出了与硅基光学相控阵芯片的光输入波导匹配的单束低密度光功率的激光。

需要说明地是，现有技术中，将输入多模干涉耦合区(Multi-Mode Interference，MMI)的光分解为有限个导波模式，经过多模干涉区传输之后，在输出端各导波模再干涉叠加成输出光。有源多模干涉耦合放大器的主泵浦区域被设计为宽多模波导结构，但这种结构只能提供单横模输出，即将多模干涉耦合区作为一个主振荡区，通过自镜像效应，在出光端形成单基横模的激光，并结合器件的量子阱等有源结构，实现单基横模的激光的放大或者激射。与现有技术不同的是，在本实施例中，如图5所示，多模干涉光放大器在图中的横线位置取多个基横模的自镜像点为出光端，同时由于多模干涉光放大器40也包括第二量子阱有源区411，对第二量子阱有源区411注入电流后激发第一激光进行放大形成功率更高的第二激光，再通过光放大器输出端42分束输出，从而多模干涉光放大器40具有既放大又分束的功能，放大和分束后的激光能量分布如图6所示。

图7为多模干涉光放大器的4个输出通道随着输入激光的波长增加的功率放大分束示意图，在一个实施例中，如图7所示，在激光器输出的输入激光的波长为1.55nm时，输入通道的激光功率为-4.11dbm，经过多模干涉光放大器放大分束后从4个输出通道输出，图7中从下至上4个通道的输出功率分别为：第3输出通道输出的激光功率为-3.10dbm，第1输出通道输出的激光功率为-3.05dbm，第2输出通道输出的激光功率为-2.97dbm，第输出4通道输出的激光功率为-2.88dbm，第1输出通道、第2输出通道、第3输出通道及第4输出通道的位置如图6所示，结合图6，以及图7的实验数据，表明从输入通道输入多模干涉光放大器的激光经过多模干涉光放大器并分束为4个通道输出后，各通道激光的输出功率均大于输入通道的激光的输入功率，说明本实施例的多模干涉光放大器同时具有放大和分束的功能。

在另一些实施例中，多模干涉光放大器40根据输出功率的需求进行级联设置，以便满足激光器高输出功率密度的需求，多模干涉光放大器级联的数量不进行具体限制，级联的数量根据激光器件输出功率的需求来设置，例如，2个多模干涉光放大器进行级联，或者3个多模干涉光放大器进行级联。

在一些实施例中，如图2、图4所示，相控阵列光输入端50包括倒锥光输入端51、多模干涉光分束器52及第二预设数量的相控光输出端53；其中，倒锥光输入端51的第一端与光放大器输出端42一一对应，倒锥光输入端的第二端与多模干涉光分束器52的第一端连接，多模干涉光分束器52的第二端连接各相控光输出端53；其中，相控阵列光输入端50的材料为绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)材料的硅，倒锥光输入端51、多模干涉光分束器52及第二预设数量的相控光输出端53的材料均为硅，波导盖层54覆盖在各相控阵列光输入端50之上和各相控阵列光输入端50覆盖之外的阵列光输入区，波导盖层54的材料为氮化硅或二氧化硅；倒锥光输入端51包括锥形波导和与锥形波导连接的第一直形波导，倒锥光输入端51的锥部在第二方向的宽度的取值范围为80nm～150nm，倒锥光输入端51的第一直形波导在第二方向的宽度的取值范围为400nm～800nm，多模干涉光分束器52在第二方向的宽度的取值范围为1μm～20μm(即1000nm～20000nm)，相控光输出端53包括第二预设数量的第二直形波导，第二直形波导在第二方向的宽度的取值范围为400nm～800nm；其中，各倒锥光输入端51对应接收多模干涉光放大器40的光放大器输出端42输出的分束为第一预设数量的第四激光，各倒锥光输入端51分别将第四激光传输至多模干涉光分束器52，多模干涉光分束器52再将第四激光进行第二次分束形成第二预设数量的第五激光，将各第五激光分别传输至对应的相控光输出端53，第五激光经过2级分束后单束的光功率已经大大降低，且相控光输出端53的第二直形波导也为百纳米量级，再将经过第二直形波导的各单束的低光功率第五激光分别传输至硅基光学相控阵芯片，从而降低了硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应的影响，进而增大了激光雷达的探测距离。

在一些实施例中，第一预设数量和第二预设数量的取值范围均大于或者等于4，其中，第一预设数量与第二预设数量相等，或者第一预设数量与第二预设数量不相等，便于将放大后的高功率激光进行多级分束，以降低单束激光的光功率密度。需要说明的是，在本实施例中，对于第一预设数量和第二预设数量的具体数值不进行具体限定，根据硅基光学相控阵芯片对输入激光的需求进行设置。例如，第一预设数量和第二预设数量还能为5、6、7等。

在一些实施例中，激光器30远离多模干涉光放大器40的前腔面覆盖预设厚度的增反膜，有利于增加激光在前腔面的反射率，多模干涉光放大器40远离激光器30的出射端覆盖预设厚度的增透膜，有利于提高激光从多模干涉光放大器输出的透过率，降低激光的损耗。其中，增反膜和增透膜的光学厚度均为λ/4，有利于增加增反膜的反射率和增加增透膜的透过率。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例的激光器件通过第一衬底；设于第一衬底之上的绝缘层；在绝缘层沿第一方向依次设置具有分布式反馈布拉格光栅的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底的光传输的方向，阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端；在各相控阵列光输入端之上和各相控阵列光输入端覆盖之外的阵列光输入区设有波导盖层；其中，激光器与多模干涉光放大器设于同一有源衬底结构之上，激光器与多模干涉光放大器之间设有电隔离沟，有源衬底结构的底部与第一衬底的顶部键合，由于多模干涉光放大器放大激光器产生的激光以输出高功率光源，再通过多模干涉光放大器的一级分束与级联的多个相控阵列光输入端的二级分束，输出大功率的高密度阵列光束，且又能输出与硅基光学相控阵芯片的光输入波导匹配的单束低密度光功率的激光，从而降低了硅基光学相控阵芯片的硅基波导的非线性效应的影响，进而增大了激光雷达的探测距离。

第二方面，如图8所示，本实施例提供了一种激光器件的制作方法，包括：

S100，在同一有源衬底结构20之上形成激光器30与多模干涉光放大器40，激光器30与多模干涉光放大器40之间设有电隔离沟36。

在一些实施例中，在同一有源衬底结构20之上形成激光器30与多模干涉光放大器40，便于降低加工工艺的复杂度，且降低激光损失，激光器30与多模干涉光放大器40之间设有电隔离沟36，避免发生电性干扰损伤激光器件。

在一些实施例中，有源衬底结构20自下至上包括N型电极层21、第二衬底22、下盖层23及下波导层24；多模干涉光放大器40包括光放大器输入端41和第一预设数量的光放大器输出端42，激光器30自有源衬底结构20向上包括第一量子阱有源区31、具有布拉格光栅321的第一上波导层32、第一上盖层33、第一接触层34及第一P型注入电极35，多模干涉光放大器40自有源衬底结构20向上包括第二量子阱有源区411、第二上波导层412、第二上盖层413、第二接触层414及第二P型注入电极415。

在一些实施例中，在同一有源衬底结构20之上形成激光器30与多模干涉光放大器40，包括：

S110，在有源衬底结构20的第二衬底22之上形成下盖层23。

S111，在下盖层23之上形成下波导层24。

S112，在下波导层24之上形成量子阱有源区，量子阱有源区包括第一量子阱有源区31和第二量子阱有源区411。

S113，在第一量子阱有源区31之上形成具有布拉格光栅321的第一上波导层32，在第二量子阱有源区411之上形成不具有布拉格光栅321的第二上波导层412。

在一些实施例中，在第一上波导层32采用电子束或者全息进行选取加工形成布拉格光栅321。

S114，在第一上波导层32和第二上波导层412所在层之上形成上盖层，上盖层包括第一上盖层33和第二上盖层413。

S115，在上盖层之上形成接触层，接触层包括第一接触层34和第二接触层414。

S116，在接触层之上形成P型注入电极层，P型注入电极层包括第一P型注入电极35和第二P型注入电极415。

S117，在第一上波导层32与第二上波导层412的分界位置对应的P型注入电极层的位置进行刻蚀，刻蚀穿透P型注入电极层、接触层并刻蚀至上盖层的所在层的预设深度形成电隔离沟36，预设深度小于第一上盖层33和第二上盖层413的所在上盖层的厚度，以截断载流子在激光器30与多模干涉光放大器40之间的流动。

S118，在沿第一方向第二P型注入电极415两端的中间位置至远离第一P型注入电极35的方向，沿第二方向等间距刻蚀第二衬底22之上的第二量子阱有源区411、第二上波导层412、第二上盖层413、第二接触层414、第二P型注入电极415形成第一预设数量的光放大器输出端42。

S119，在第二衬底22的底部形成N型电极层21。

S200，形成第一衬底10。

S300，在第一衬底10之上形成绝缘层11。

S400，刻蚀绝缘层11形成与有源衬底结构20对应的预设位置。

在一些实施例中，刻蚀绝缘层11形成与有源衬底结构20对应的预设位置，包括：

刻蚀沿第一方向第一衬底10的一端至大于有源衬底结构20的长度的绝缘层11，形成与有源衬底结构20对应的预设位置，便于后续将有源衬底结构20的N型电极层21延伸至阵列光输入区覆盖第一衬底10之外的顶部，以便通过未被有源衬底结构20覆盖的N型电极层21进行电流注入。

在一些实施例中，刻蚀绝缘层11形成与有源衬底结构20对应的预设位置，还包括：

刻蚀绝缘层11形成放置具有同一有源衬底结构20的激光器30和多模干涉光放大器40的沟槽，其中，沟槽的深度大于绝缘层11的厚度，沿第一方向的沟槽的长度大于有源衬底结构20的长度，沿第二方向的沟槽的宽度大于有源衬底结构20的宽度，第二方向为平行于第一衬底10并垂直于第一方向的方向，第一方向为平行于第一衬底10的光传输的方向，提高了多模干涉光放大器40输出至各相控阵列光输入端50的激光比例，降低了光损失，同时绝缘层11还能对激光器30和多模干涉光放大器40进行物理保护。

在一些实施例中，刻蚀绝缘层11形成与有源衬底结构20对应的预设位置，还包括：

刻蚀绝缘层11形成放置具有同一有源衬底结构20的激光器30和多模干涉光放大器40的沟槽，并刻蚀绝缘层11形成暴露有源衬底结构20的N型电极层21的通孔，绝缘层11既能对激光器30和多模干涉光放大器40进行物理保护，还通过在通孔填充金属连接有源衬底结构20的N型电极层21以进行电流注入。

S500，沿第一方向，在绝缘层11之上的远离预设位置的一端形成多个相控阵列光输入端50，各相控阵列光输入端50处于阵列光输入区，第一方向为平行于第一衬底10的光传输的方向。

在一些实施例中，相控阵列光输入端50包括倒锥光输入端51、多模干涉光分束器52及第二预设数量的相控光输出端53，沿第一方向，在绝缘层11之上的远离预设位置的一端形成多个相控阵列光输入端50，包括：

沿第一方向，在绝缘层11之上的远离预设位置的一端依次形成倒锥光输入端51、多模干涉光分束器52及第二预设数量的相控光输出端53，再形成阵列的多个相控阵列光输入端50。

S600，在各相控阵列光输入端50之上和各相控阵列光输入端50覆盖之外的阵列光输入区形成波导盖层54。

S700，沿第一方向，在预设位置依次放置具有同一有源衬底结构20的激光器30和多模干涉光放大器40，并将有源衬底结构20的底部与第一衬底10的顶部进行键合。

其中，激光器30和多模干涉光放大器40的光场中心与各相控阵列光输入端50的光场中心平齐。

在一些实施例中，在阵列光输入区覆盖第一衬底10之外的第一衬底10的顶部区域形成键合金属层，键合金属层通过焊料层12与有源衬底结构20的N型电极层21进行键合，便于通过未被有源衬底结构20覆盖的键合金属层进行电流注入。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

第三方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，包括如第一方面内容中任一项所述的激光器件。

可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面内容中的相关描述，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器件，其特征在于，包括：

第一衬底；

设于所述第一衬底之上的绝缘层；

在所述绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，所述第一方向为平行于所述第一衬底的光传输的方向，所述阵列光输入区设有多个相控阵列光输入端；

在各所述相控阵列光输入端之上和各所述相控阵列光输入端覆盖之外的所述阵列光输入区设有波导盖层；

其中，所述激光器与所述多模干涉光放大器设于同一有源衬底结构之上，所述激光器与所述多模干涉光放大器之间设有电隔离沟，所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部键合。

2.如权利要求1所述的激光器件，其特征在于，所述在所述绝缘层沿第一方向依次设置的激光器、多模干涉光放大器及阵列光输入区，包括：

在未覆盖所述绝缘层的预设位置沿第一方向依次设置所述激光器和所述多模干涉光放大器，在所述绝缘层之上的靠近所述多模干涉光放大器的一端设置各所述相控阵列光输入端，各所述相控阵列光输入端处于所述阵列光输入区；

其中，所述激光器和所述多模干涉光放大器的光场中心与各所述相控阵列光输入端的光场中心平齐。

3.如权利要求2所述的激光器件，其特征在于，所述有源衬底结构自下至上包括N型电极层、第二衬底、下盖层及下波导层；

所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部键合，包括：

所述有源衬底结构的N型电极层通过焊料层与所述第一衬底的顶部键合。

4.如权利要求3所述的激光器件，其特征在于，所述激光器自所述有源衬底结构向上包括第一量子阱有源区、具有布拉格光栅的第一上波导层、第一上盖层、第一接触层及第一P型注入电极。

5.如权利要求4所述的激光器件，其特征在于，所述多模干涉光放大器自所述有源衬底结构向上包括第二量子阱有源区、第二上波导层、第二上盖层、第二接触层及第二P型注入电极。

6.如权利要求5所述的激光器件，其特征在于，所述多模干涉光放大器包括光放大器输入端和第一预设数量的光放大器输出端，所述相控阵列光输入端包括倒锥光输入端、多模干涉光分束器及第二预设数量的相控光输出端；

其中，所述倒锥光输入端的第一端与所述光放大器输出端一一对应，所述倒锥光输入端的第二端与所述多模干涉光分束器的第一端连接，所述多模干涉光分束器的第二端连接各所述相控光输出端。

7.如权利要求6所述的激光器件，其特征在于，所述激光器远离所述多模干涉光放大器的前腔面覆盖预设厚度的增反膜，所述多模干涉光放大器远离所述激光器的出射端覆盖所述预设厚度的增透膜。

8.如权利要求5所述的激光器件，其特征在于，所述下盖层的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³；

所述下波导层的掺杂浓度范围为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³；

所述第一上波导层和所述第二上波导层的掺杂浓度范围均为5×10¹⁷/cm³～3×10¹⁸/cm³；

所述第一上盖层和所述第二上盖层的掺杂浓度范围均为5×10¹⁷/cm³～5×10¹⁸/cm³；

所述第一接触层和所述第二接触层的掺杂浓度范围均为1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁹/cm³。

9.一种激光器件的制作方法，其特征在于，

在同一有源衬底结构之上形成激光器与多模干涉光放大器，所述激光器与所述多模干涉光放大器之间设有电隔离沟；

形成第一衬底；

在所述第一衬底之上形成绝缘层；

刻蚀所述绝缘层形成与所述有源衬底结构对应的预设位置；

沿第一方向，在所述绝缘层之上的远离所述预设位置的一端形成多个相控阵列光输入端，各所述相控阵列光输入端处于阵列光输入区，所述第一方向为平行于所述第一衬底的光传输的方向；

在各所述相控阵列光输入端之上和各所述相控阵列光输入端覆盖之外的所述阵列光输入区形成波导盖层；

沿所述第一方向，在所述预设位置依次放置具有同一所述有源衬底结构的所述激光器和所述多模干涉光放大器，并将所述有源衬底结构的底部与所述第一衬底的顶部进行键合；

其中，所述激光器和所述多模干涉光放大器的光场中心与各所述相控阵列光输入端的光场中心平齐。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的激光器件。