本發(fā)明涉及光模塊，尤其涉及一種III-V族與硅基集成的光模塊。
背景技術(shù)：
：基于硅基波導(dǎo)在通信波段透明和具有高折射率差等特性，混合硅基集成平臺已經(jīng)成為實現(xiàn)大規(guī)模光子集成的重要途徑，從而硅基光源成為人們研究的熱點(diǎn)。但是，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光的效率極低，從而用硅作為發(fā)光材料制造激光器是很困難的。為此，人們主要提出了三種方案，同質(zhì)集成、異質(zhì)外延和III-V/Si混合集成的方案。同質(zhì)集成主要是在硅材料上制作納米結(jié)構(gòu)、摻入稀土離子和利用受激拉曼效應(yīng)三種。大多面臨著發(fā)光效率偏低、需要光泵浦等問題。異質(zhì)外延是在硅襯底上面通過一系列技術(shù)生長出來晶體質(zhì)量較好的半導(dǎo)體材料，包括直接帶隙的III-V和間接帶隙的鍺。III-V族異質(zhì)外延近些年來在1.3um硅基量子點(diǎn)激光器上得到了較大成功，但也存在著動態(tài)特性不高、沒有Si波導(dǎo)耦合機(jī)制的問題。2012年，美國麻省理工的研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)了Ge/Si激光器的點(diǎn)注入室溫激射，但是在實用化方面存在無法室溫連續(xù)激射、閾值過大和可靠性不足的問題。III-V/Si光模塊相比之下更為成熟，根據(jù)III-V族芯片和硅芯片耦合方式的不同，分為垂直耦合光模塊和水平耦合光模塊。其中，垂直耦合光模塊是將VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)輸出的光用二階光柵耦合到硅基波導(dǎo)中。但是對于長波長的VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)來說，由于InP和InGaAsP折射率差低，為了達(dá)到足夠的反射率需要很厚的InP/InGaAsP的DBR，一方面對于生長工藝要求很高，另一方面會帶來電阻較高散熱較差的問題，從而輸出功率不高。水平耦合光模塊是將輸出光通過與硅基波導(dǎo)近距離對接的方式耦合到硅芯片中，可以有較大的輸出功率，但是光源和硅基波導(dǎo)耦合損耗較大，并且對于對準(zhǔn)工藝要求很高。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠降低光源和硅基波導(dǎo)間的耦合損耗同時提高激光束輸出功率的光模塊。為實現(xiàn)上述目的，本公開的一方面提供一種光模塊，包括：激光器，包括諧振腔，所述諧振腔的一側(cè)具有傾斜端面，用于反射所述諧振腔沿水平方向的第一光路發(fā)出的激光束，使所述激光束沿垂直方向的第二光路輸出；以及硅基波導(dǎo)，所述硅基波導(dǎo)的上表面設(shè)置有第一光柵，用于反射由所述第二光路輸出的所述激光束；其中，所述激光器設(shè)置在所述硅基波導(dǎo)的上表面，將所述第二光路輸出的所述激光束耦合至所述第一光柵，并通過所述第一光柵將所述第二光路輸出的所述激光束沿水平方向的光路輸出。本發(fā)明的光模塊通過水平諧振腔的傾斜端面，將激光束垂直耦合至硅基底上的光柵，從而降低光源和硅基波導(dǎo)間的耦合損耗同時提高激光束輸出功率。應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本公開。附圖說明通過參照附圖詳細(xì)描述其示例實施例，本公開的上述和其它目標(biāo)、特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。圖1示意性示出根據(jù)本公開一實施例的光模塊的側(cè)視示意圖；圖2示意性示出根據(jù)本公開一實施例的光模塊的橫截面示意圖；圖3示意性示出根據(jù)本公開一實施例的光模塊的俯視示意圖；圖4A-4D為對本公開實施例的光模塊進(jìn)行2DFDTD的仿真結(jié)果示意圖。具體實施方式現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的范例；相反，提供這些實施方式使得本公開將更加全面和完整，并將示例實施方式的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。附圖僅為本公開的示意性圖解，并非一定是按比例繪制。圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重復(fù)描述。應(yīng)理解，雖然本文中可能使用術(shù)語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應(yīng)受此等術(shù)語限制。此等術(shù)語乃用以區(qū)分一元件與另一元件。圖1示意性示出根據(jù)本公開一實施例的光模塊的側(cè)視示意圖。如圖1所示，光模塊包括諧振腔1和硅基波導(dǎo)2。諧振腔1為水平諧振腔，其自上而下依次包括緩沖層12、量子阱有源區(qū)13、光柵層14和上包層15。諧振腔1的上表面設(shè)置有電極4，諧振腔1的一側(cè)為平整端面，另一側(cè)為刻蝕形成的傾斜端面10，諧振腔1沿水平方向的第一光路發(fā)出激光束，經(jīng)傾斜端面10反射后，使激光束沿垂直方向的第二光路輸出。本實施例的水平諧振腔利用一側(cè)設(shè)置的傾斜端面使激光束沿垂直方向輸出，相比于水平諧振腔沿水平方向輸出激光束的方式，并不需要很高的對準(zhǔn)工藝，容差容忍度更高，模式失配小，耦合效率更高。此外，本實施例的水平諧振腔與垂直諧振腔相比，不需要制作頂部多層DBR反射鏡，更易于制作，且有更好的散熱和更高的輸出功率。III-V族諧振腔中布拉格光柵提供選模機(jī)制：λ＝2neffΛ其中，λ為激光器激射波長，neff為諧振腔等效折射率，Λ為布拉格光柵光柵周期。并且布拉格光柵提供反饋，將正向波與反向波進(jìn)行耦合。所述III-V族諧振腔在電注入的情況下激射出激光，激光通過傾斜端面從水平方向激振被反射至垂直向下輸出。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，諧振腔1非斜面反射鏡的端面為自然解理或者鍍高反膜。在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，在緩沖層12和量子阱有源區(qū)13之間還依序包括腐蝕停止層、第一間隔層和第一分別限制層(圖中未示出)。在量子阱有源區(qū)13和光柵層14之間還依序包括第二分別限制層、第二間隔層(圖中未示出)。如圖2所示，在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，諧振腔1具有刻蝕形成的向外凸出的脊16。在一可選的實施例中，緩沖層12材料可以為InP，摻雜濃度為0.7-2×1018/cm3，成指數(shù)變化。所述腐蝕停止層材料可以為InGaAsP，厚度為10nm，摻雜濃度為0.7×1018/cm3。所述第一間隔層材料可以為P-InP，厚度為50nm，摻雜濃度為0.7×1018/cm3。所述第一分別限制層材料可以為InGaAsP，厚度為100nm，不摻雜。所述量子阱有源區(qū)13材料可以為InGaAsP，量子阱包含6個阱和7個壘，每個阱厚度為5nm，每個壘厚度為10nm，不摻雜。所述第二分別限制層材料可以為InGaAsP，厚度為100nm，不摻雜。所述第二間隔層材料可以為N-InP，厚度為50nm，摻雜濃度為0.5×1018/cm3。所述光柵層14材料可以為N-InGaAsP，厚度為40nm，摻雜濃度為0.5×1018/cm3。所述上包層15材料可以為InP，厚度為2um，摻雜濃度為0.5-1×1018/cm3。需要說明的是，以上諧振腔各層的材料、厚度以及摻雜濃度等相關(guān)參數(shù)僅是列舉的一具體實例，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍加以限制，其可以根據(jù)實際的設(shè)計要求進(jìn)行改變。硅基波導(dǎo)2自上而下依次包括波導(dǎo)層23、第一掩埋氧化層24、反射層22、第二掩埋氧化層25和硅襯底26。波導(dǎo)層23的上表面設(shè)置有二階光柵20和一階光柵21，二階光柵20的位置正對于諧振腔1沿垂直方向的第二光路輸出激光束的位置，使諧振腔1沿垂直方向的第二光路輸出的激光束可以照射于二階光柵20。二階光柵20將沿垂直方向照射于其上的激光束反射為沿右向的第三光路、沿左向的第四光路傳播的激光束和沿垂直方向透射的激光束。一階光柵10位于二階光柵20的左側(cè)，可以將二階光柵20沿左向的第四光路傳播的激光束反射，以使其沿右向的第三光路統(tǒng)一輸出。沿垂直方向透射的激光束，可以被二階光柵20下方的反射層22反射，以將從二階光柵20透射的激光束沿反向反射回二階光柵20。參照上述對二階光柵20和一階光柵10的說明，二階光柵20在收到從反射層20反射回的激光束后，將其反射為沿右向的第三光路、沿左向的第四光路傳播的激光束，而沿左向的第四光路傳播的激光束被一階光柵10反射，以使其沿右向的第三光路統(tǒng)一輸出。本實施例通過在硅基波導(dǎo)上設(shè)置一階光柵、二階光柵和反射層，可以使激光器耦合至硅基波導(dǎo)的激光束統(tǒng)一由硅基波導(dǎo)的一側(cè)輸出，減少了激光束耦合至硅基波導(dǎo)的損耗，提高了耦合效率。如圖3所示，在一實施例中硅基波導(dǎo)2輸出端波導(dǎo)寬度逐漸減小，其從波導(dǎo)寬度W1減小至波導(dǎo)寬度W2。在一可選的實施例中，波導(dǎo)層23的材料為Si，寬度可以為4um、厚度為220nm。第一掩埋氧化層24和第二掩埋氧化層25的材料為SiO2，厚度分別為0.65um和0.9um。反射層22可以為兩對Si/SiO2的反射鏡(DBR)自上而下依次為分別為0.15um厚的Si、SiO2和Si。硅襯底26的厚度可以為20mm。以上硅基波導(dǎo)各層的材料和尺寸等相關(guān)參數(shù)僅是列舉的一具體實例，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍加以限制，其可以根據(jù)實際的設(shè)計要求進(jìn)行改變。由于諧振腔1輸出的激光束是以垂直耦合的形式與硅基波導(dǎo)2耦合，其耦合效率并不會受限于諧振腔1和硅基波導(dǎo)2垂直方向上的距離。因此，諧振腔1和硅基波導(dǎo)2之間允許有一空氣間隙，從而可以通過焊接層4將諧振腔1倒裝焊接于硅基波導(dǎo)2上，諧振腔1的腔長方向與硅基波導(dǎo)2延伸方向一致。比起諧振腔和硅基波導(dǎo)以鍵合工藝連接的方案，制作工藝更加簡單。上述實施例的硅基波導(dǎo)2是在硅襯底26上生產(chǎn)掩埋氧化層24、25與波導(dǎo)層23，再分別將光柵結(jié)構(gòu)與硅波導(dǎo)形狀刻蝕出來，而得到上述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。上述實施例的諧振腔1是在InP襯底上生長III-V族結(jié)構(gòu)，依次生長緩沖層、腐蝕停止層、第一間隔層、第一分別限制層、量子阱有源區(qū)、第二分別限制層、第二間隔層和光柵層，并通過光刻刻蝕出光柵的形貌，再通過二次外延形成上包層。將III-V族結(jié)構(gòu)一側(cè)刻蝕出斜槽并進(jìn)行解理。將III-V族結(jié)構(gòu)倒裝焊接在SOI芯片上。移除III-V族結(jié)構(gòu)的襯底，并將移除襯底一側(cè)刻蝕出脊與電級的形貌，并制作電極。圖4A-4D為對本公開實施例的光模塊進(jìn)行2DFDTD的仿真結(jié)果示意圖。如圖4A為一模式光輸入III-V族諧振腔中；圖4B為輸入光被斜面反射鏡反射至垂直向下傳播；圖4C為部分光耦合進(jìn)入Si波導(dǎo)，部分光透射過去被DBR反射；圖4D為部分光向左傳播被一階光柵反射，部分光向右傳播。諧振腔1的傾斜端面10的角度α以及二階光柵的刻蝕深度和光柵周期的選擇會對激光束的耦合效率產(chǎn)生較大影響。下面通過表1和表2展示使用2DFDTD對于該實例結(jié)構(gòu)SOI二階光柵刻蝕深度和斜面反射鏡角度對于耦合效率的仿真結(jié)果：表1表1為每一組刻蝕深度下，掃描得到最佳二階光柵周期以及最佳耦合效率。可以看到，在保證二階光柵周期為該刻蝕深度下最優(yōu)光柵周期的情況下，耦合效率隨著刻蝕深度的增加，先增加，后降低，在刻蝕深度為0.11um時候達(dá)到最優(yōu)，為76.0％的耦合效率。表2角度光柵周期/um耦合效率420.6410.694430.6410.756440.6350.792450.6340.760460.6310.694表2為每一組斜面反射鏡角度下，掃描得到最佳二階光柵周期以及最佳耦合效率?？梢缘玫皆?4度斜面反射鏡角度下，有最高的耦合效率為79.2％。以上具體地示出和描述了本公開的示例性實施方式。應(yīng)可理解的是，本公開不限于這里描述的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、設(shè)置方式或?qū)崿F(xiàn)方法；相反，本公開意圖涵蓋包含在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效設(shè)置。當(dāng)前第1頁1 2 3