本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域，特別涉及一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源及其制備方法。

背景技術(shù)：

在硅基光子學(xué)中，硅基光子集成芯片與以inp基為代表的的三五族化合物半導(dǎo)體光子集成芯片的構(gòu)成基本相一致，簡單劃分包含有光源、調(diào)制器、探測器、無源光波導(dǎo)、耦合器等，對于硅材料來說其中最難以解決的就是硅基光源的問題，本征的硅材料是間接帶隙材料，其發(fā)光效率很低，完全不能用作光互連中的光源。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述技術(shù)問題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源及其制備方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源，包括硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及鍵合在所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的多模半導(dǎo)體增益激光器陣列，其中，所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括：硅基襯底，n條波導(dǎo)通道，設(shè)置在所述硅基襯底上，每一波導(dǎo)通道包括順序設(shè)置的硅波導(dǎo)部分、taper部分以及slot部分，所述各波導(dǎo)通道的slot部分的寬度均不同，其中n≥2，n為正整數(shù)，多模干涉耦合器，設(shè)置在所述硅基襯底上，以及彎曲波導(dǎo)組，連接至少一條波導(dǎo)通道及多模干涉耦合器。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的制備方法，包括：制備硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及多模半導(dǎo)體增益激光器陣列，以及將多模半導(dǎo)體增益激光器陣列鍵合至所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，其中所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括：硅基襯底，n條波導(dǎo)通道，設(shè)置在所述硅基襯底上，每一波導(dǎo)通道包括順序設(shè)置的硅波導(dǎo)部分、taper部分以及slot部分，所述各波導(dǎo)通道的slot部分的寬度均不同，其中n≥2，n為正整數(shù)，多模干涉耦合器，設(shè)置在所述硅基襯底上，以及彎曲波導(dǎo)組，連接至少一條波導(dǎo)通道及多模干涉耦合器。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明至少具有以下有益效果之一：

(1)采用slot結(jié)構(gòu)作為選模結(jié)構(gòu)，其制備工藝簡單，使用與標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝兼容的光刻技術(shù)就可以達成，且其工藝靈活，制作成本低；

(2)通過改變波導(dǎo)通道上slot的寬度就實現(xiàn)多波長激光器集成光源，符合wdm系統(tǒng)對應(yīng)的信號要求；

(3)采用金屬鍵合鍵合熱導(dǎo)率高、良好的電學(xué)特性，并提高光耦合效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中b區(qū)域的放大示意圖；

圖4為圖2中a區(qū)域的放大示意圖；

圖5為圖1中多模半導(dǎo)體增益激光器陣列的掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的靜態(tài)測試圖；

圖7為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的光譜圖。

具體實施方式

本發(fā)明某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本發(fā)明的各種實施例可以許多不同形式實現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于此數(shù)所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，多波長硅基混合集成slot激光器集成光源100包括：硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10以及鍵合在所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10上的多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20。

圖2為圖1中硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本實施例中中，硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10包括三層硅基soi襯底波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括依次層疊硅基襯底11、氧化硅層12以及頂硅層13，所述頂硅層13包括n條相互平行設(shè)置的波導(dǎo)通道131、彎曲波導(dǎo)組132以及多模干涉耦合器133。氧化硅層12的厚度優(yōu)選為2微米。

圖3為圖2中b區(qū)域的放大示意圖，圖3僅示出了硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一部分，即僅包括一波導(dǎo)通道的部分，圖2中的硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10包括多個平行設(shè)置的圖3所示的部分，如圖3所示，波導(dǎo)通道131沿x方向平行設(shè)置，每一波導(dǎo)通道包括順序設(shè)置的硅波導(dǎo)部分1311、taper部分1312以及slot部分1313，其中，slot部分1313的寬度小于硅波導(dǎo)部分1311的寬度，taper部分連接硅波導(dǎo)部分1311及slot部分1313，其寬度由硅波導(dǎo)部分1311的寬度逐漸過渡到slot部分1313的寬度。n條波導(dǎo)通道的硅波導(dǎo)部分1311相同，具有相同的長度和寬度，n條波導(dǎo)通道的slot部分1313均具有相同長度及間隔周期，但n條波導(dǎo)通道的slot部分1313的寬度各不相同。每條波導(dǎo)通道131的硅波導(dǎo)部分1311兩側(cè)各設(shè)置一個鍵合金屬層14，用于與多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20鍵合。

圖4為圖2中a區(qū)域的放大示意圖，如圖4所示，多模干涉耦合器133用于輸出所需光，包括一輸出波導(dǎo)1331、多模干涉耦合器本體1332以及至少一輸入波導(dǎo)1333，彎曲波導(dǎo)組132包括至少一彎曲波導(dǎo)1321，每一彎曲波導(dǎo)連接一條波導(dǎo)通道131至一輸入波導(dǎo)1333。

多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20包括n個相互連接的呈陣列片排布的掩埋脊波導(dǎo)激光器單體，本實施例中，多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20為p型襯底外延生長的掩埋脊波導(dǎo)ingaasp激光器陣列，n個相互連接的呈陣列片排布的掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的周期為240微米，圖5為圖1中多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20的掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，掩埋脊波導(dǎo)激光器單體為掩埋脊波導(dǎo)ingaasp激光器，其包括p型襯底21及其上的buffer層22，粒子注入?yún)^(qū)域23設(shè)置在buffer層22上，且在粒子注入?yún)^(qū)域23中間位置形成凹槽，凹槽底部為buffer層22，凹槽內(nèi)依次設(shè)置有下限制層24、有源區(qū)25以及上限制層26，凹槽頂部及周邊區(qū)域設(shè)置有波導(dǎo)層27，粒子注入?yún)^(qū)域23未被波導(dǎo)層27覆蓋的區(qū)域設(shè)置有氧化硅層28，氧化硅層28和波導(dǎo)層27上設(shè)置有帶有窗口29的n面金屬電極，窗口對應(yīng)所述凹槽設(shè)置，p型襯底21底面設(shè)置有p面金屬電極。

結(jié)合附圖1-5，本實施例中，多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20金屬鍵合至硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10上，多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20倒置，每一掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的窗口對應(yīng)一波導(dǎo)通道，每一掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的窗口兩側(cè)的n面金屬電極鍵合至一波導(dǎo)通道的硅波導(dǎo)部分131兩側(cè)的鍵合金屬層14。

本實施例中的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的工作原理是：多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20提供多模激光，每一掩埋脊波導(dǎo)激光器單體均發(fā)射相同的多模激光，每一掩埋脊波導(dǎo)激光器單體發(fā)射的單模激光分別耦合至對應(yīng)的波導(dǎo)通道中，波導(dǎo)通道通過slot部分對多模激光進行選模，僅反射一單模激光由硅波導(dǎo)部分131出射，slot部分的寬度決定了反射單模激光的波長，多模干涉耦合器133耦合需要的多個單模激光作為集成光源發(fā)射。

圖6為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的靜態(tài)測試圖。如圖6中的(a)所示，本發(fā)明實施例一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的典型閾值電流為12ma，最大輸出功率為700微瓦，如圖6中的(b)所示，邊模抑制比約為20db。

圖7為本發(fā)明一實施例的多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的光譜圖。如圖7所示，以n＝4為例，本實施例一種多波長硅基混合集成slot激光器集成光源的四個波段的波長分別為1538.6nm、1540.5nm、1544.9nm和1550.0nm。

本發(fā)明另一實施例提供一種多波長硅基混合集成slot激光器陣列制備方法，具體包括制備硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及多模半導(dǎo)體增益激光器陣列，以及將多模半導(dǎo)體增益激光器陣列鍵合至所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上。

制備硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10具體包括以下步驟：

依次層疊硅基襯底11、氧化硅層12以及頂硅層13形成三層硅基soi襯底結(jié)構(gòu)；

對頂硅層13進行第一構(gòu)圖，在與x方向垂直的y方向上去除部分頂硅層，形成slot區(qū)域，第一構(gòu)圖采用光刻及icp刻蝕工藝完成；

對形成slot區(qū)域的頂硅層進行第二次構(gòu)圖，形成n條波導(dǎo)通道131、彎曲波導(dǎo)組132以及多模干涉耦合器133。每一波導(dǎo)通道131包括順序設(shè)置的硅波導(dǎo)部分1311、taper部分1312以及slot部分1313，所述各波導(dǎo)通道131的slot部分的寬度均不同，其中n≥2，n為正整數(shù)，多模干涉耦合器133用于輸出所需光，包括一輸出波導(dǎo)1331、多模干涉耦合器本體1332以及至少一輸入波導(dǎo)1333，彎曲波導(dǎo)組132包括至少一彎曲波導(dǎo)1321，每一彎曲波導(dǎo)連接一條波導(dǎo)通道131至一輸入波導(dǎo)1333，第二次構(gòu)圖采用光刻工藝及icp刻蝕。

在每一波導(dǎo)通道的硅在每一波導(dǎo)通道的硅波導(dǎo)部分兩側(cè)沉積金屬層形成鍵合金屬層14，具體的，通過光刻定義金屬沉積區(qū)，僅非金屬沉積區(qū)保留光刻膠；整面沉積金屬層；除去光刻膠及其上的金屬層，僅在每一波導(dǎo)通道的硅波導(dǎo)部分兩側(cè)保留金屬層形成鍵合金屬層。

通過減薄技術(shù)，將硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的硅基襯底11減薄至整個結(jié)構(gòu)約為100微米厚，在此厚度下通過劃片就可以將硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10解理為小片硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)待用，其中每一小片硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)僅均包括一多模干涉耦合器133、一彎曲波導(dǎo)組132以及多條波導(dǎo)通道131。

將多模半導(dǎo)體增益激光器陣列鍵合至所述硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上具體包括：

將多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20的p面金屬電極向上放置，由鍵合機的真空吸頭以touchdown工作方式落下吸取后抬起，將制作好的硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的頂硅層13向上放置，在鍵合機對準(zhǔn)系統(tǒng)中將多模半導(dǎo)體增益激光器陣列20的每一掩埋脊波導(dǎo)激光器單體的n面金屬電極的窗口29的中央對準(zhǔn)硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的一波導(dǎo)通道，調(diào)整鍵合參數(shù)，實施鍵合，待自然冷卻降溫后即獲得多波長硅基混合集成slot激光器集成光源。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在其他實施中，各波導(dǎo)通道可以不是平行設(shè)置，例如各波導(dǎo)通道組成以一點為原點的放射線組。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換。