一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【專利摘要】本發明公開了一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法。本方法為：1）利用納米壓印技術在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形；2）利用刻蝕技術在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結構的硅波導陣列；3）選取或制備一多量子阱光增益結構陣列；4）以多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，將多量子阱光增益結構陣列中的每個光增益區與SOI片上的硅波導陣列中的每個硅波導光耦合區對準、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。本發明具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規模生產，并且能夠在較大的范圍內調節輸出波長等優點。
【專利說明】一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及硅基光電子器件領域中硅基混合激光器及其制備方法，特別是涉及一種利用納米壓印技術制備多波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列的方法。
【背景技術】
[0002]隨著娃光子學的日趨成熟，在娃光互連與光電集成技術中，關鍵問題就是娃基光源，而硅基電泵激光則是硅基光源研究的終極目標，也是目前硅光子學中最重要的研究課題之一。
[0003]近些年來，人們在硅基光源的研究方面取得了一系列的進展，例如硅上外延II1-V族半導體材料、硅與半導體納米線形成發光異質結、受激拉曼激光等等。但是，這些方法尚無法實現實用化的硅基電泵激光。最近，人們提出了一種能夠實現電泵硅基激光的方法，即鍵合方法。這種方法是將目前已經發展成熟的半導體激光器鍵合在硅波導上，將激光器中的光耦合到硅波導中，從而實現了硅基電泵激光。
[0004]目前所實現的電泵鍵合硅基混合激光器主要是單波長輸出的，多波長輸出的工藝非常復雜。然而，在光互連或光通信中，多波長激光器陣列有著十分重要的應用，例如它可以作為系統中波分復用器(WDM)的多通道光源。與固定單波長的激光器相比，多波長激光器陣列或波長可調諧的激光器能對光通信系統進行靈活多變的結構重新配置，使互連網絡系統更高效等優點。目前，在光互連中，多波長混合激光器陣列是通過在芯片上封裝幾個不同波長的單模激光器或單個多波長激光器陣列。單模激光器或多波長激光器陣列的光柵通常做在上分別限制(SCH)層之上，這樣刻完光柵后還需要進行再次外延，工藝復雜，周期長，成本高。而且對于單模激光器，還需要進行多次封裝。因此上述方法存在著工藝復雜、成本高、周期長，加工面積小，不適宜大規模生產等缺點。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的在于提供一種可以實現多波長電泵鍵合娃基混合激光器陣列的制備方法。該方法利用納米壓印技術在SOI (Silicon OnInsulator，絕緣襯底上的硅)片的硅層上壓印出具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形，然后再利用刻蝕技術在SOI片的硅層上制備上述圖形，最后將相應的多量子阱光增益結構陣列鍵合在圖形化的SOI片上。這種將調制光柵做到硅波導上的方法，解決了在多量子阱光增益結構上做光柵的工藝復雜問題，并且只需要一次鍵合，具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規模生產，并且能夠在較大的范圍內調節該混合激光器的輸出波長等優點。
[0006]本發明的特色在于:利用納米壓印技術在SOI片的硅層上壓印出具有多波長取樣分布布拉格反射式(DBR)或分布反饋式(DFB)光柵結構的硅波導陣列圖形；然后利用刻蝕技術在SOI片硅層上制備具有多波長光柵結構的硅波導陣列，即該硅波導陣列具有多波長光柵結構，通過硅波導上不同參數的光柵可調制其出射波長；制備相應的多量子阱光增益結構陣列，該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構與SOI片上硅波導陣列中的每個硅波導相對應(比如是四波長的，SOI片就有四個硅波導，并且每個硅波導上都有相應波長的光柵，而上層多量子阱光增益結構陣列應包含四個相同的多量子阱光增益結構，每個多量子阱光增益結構中的光以倏逝波的方式耦合到其正下方硅波導中，并經過該娃波導上相應波長的光柵進行調制，從而實現多波長的娃基混合激光器陣列；取樣DBR光柵在硅波導光耦合區的兩側，取樣DFB光柵在硅波導光耦合區的下方；硅波導兩側區域是鍵合區)；采用選區金屬鍵合的方法將多量子阱光增益結構陣列和具有多波長光柵結構的SOI硅波導陣列進行鍵合，即可完成多波長硅基混合激光器陣列的制備。多量子阱光增益結構陣列中的光以倏逝波的方式耦合到硅波導陣列中，并經過硅波導上相應的光柵進行調制，通過改變光柵的參數(深度，周期，占空比等)，可實現多波長的電泵鍵合硅基混合激光器陣列。
[0007]本發明的最終結構示意圖如圖1所示，這是一個八波長的電泵鍵合硅基混合激光器陣列。自下而上依次為圖形化的S0I，鍵合金屬層和多量子阱光增益結構陣列。在本結構中，可采取選區金屬鍵合方法。在制備圖形化的SOI結構時，首先利用納米壓印技術在SOI片上壓印出具有多波長取樣DBR光柵結構的硅波導陣列圖形，然后利用刻蝕技術在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結構的硅波導陣列。最后在硅波導兩側，蒸發金屬層，作為鍵合區。鍵合金屬采用Cr/AuSn多層結構，Cr的作用是提高AuSn合金與SOI的黏附性。在本結構中，我們所選擇的多量子阱光增益結構陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導光增益結構陣列，并且該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構與SOI結構硅波導陣列中的每個硅波導相對應。
[0008]本發明的技術方案是:
[0009]一種多波長硅基混合激光器陣列的制備方法，其步驟包括:
[0010]I)設計、制作具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形的納米壓印硬模板，然后利用納米壓印技術制備與所述硬模板圖案互補的軟模板；
[0011]2)利用I)所述軟模板在旋涂了納米壓印膠的SOI片的硅層上壓印出具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形，脫模，得到具有上述圖形的SOI片；
[0012]3)利用刻蝕技術在SOI片硅層上制備具有多波長光柵結構的硅波導陣列；
[0013]4)在3)所述SOI片上，除硅波導及其附近較小的區域外，在其它區域沉積金屬層作為鍵合區；
[0014]5)制備多量子阱光增益結構陣列，該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構與3)所述SOI片上的硅波導陣列中的每個硅波導相對應；
[0015]6)以5)所述多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，利用鍵合機或貼片機等設備將所述多量子阱光增益結構陣列中的每個光增益區與4)所述SOI片上的硅波導陣列中的每個硅波導光耦合區對準，鍵合，就制備出了多波長硅基混合激光器陣列。
[0016]所述多波長光柵可為多波長取樣DBR光柵或多波長取樣DFB光柵。
[0017]所述納米壓印技術可采用紫外壓印或熱壓印方式。
[0018]所述納米壓印膠可為紫外壓印膠或熱壓印膠。
[0019]所述刻蝕技術可為耦合等離子(ICP)刻蝕技術或反應離子束(RIE)刻蝕技術。[0020]所述硅波導的寬度范圍為I~5 μ m，高度范圍為200nm~2 μ m。
[0021]所述金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
[0022]所述粘附金屬層可為Cr、Ni或Ti，其厚度范圍為5~20nm。
[0023]所述鍵合金屬層可為AuSn、InSn、InAu、PbIn或In,其厚度范圍為180nm~2 μ m。
[0024]所述鍵合區位于SOI片上硅波導兩側4μπι以外，鍵合區的寬度范圍可為30~200 μ m。
[0025]所述多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構都具有上下分別限制(SCH)層和多量子阱(MQW)層，并且具有側向限制作用的條形結構。
[0026]所述多量子阱光增益結構陣列可為InP基或GaAs基。
[0027]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0028]本發明所提供的多波長硅基混合激光器陣列可以作為有效的硅基光源應用于單片硅基光電集成、光互聯和光通信等眾多領域，并且可以用于集成化生產。與現有的多波長混合激光器陣列制備方法相比，該方法解決了在上層光增益結構上制作光柵的工藝復雜問題，并且只需要一次鍵合，具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規模生產，并且能夠在較大的范圍內調節該混合激光器的輸出波長等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的多波長硅基混合激光器陣列的一種結構示意圖；
[0030]圖1 (a)為器件正視圖，圖1 (b)為器件側視圖；
[0031]圖2 (a)~(k)為本發明八波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列實施例的流程圖。【具體實施方式】
[0032]下面結合圖2，以多波長取樣DBR光柵和InP基多量子阱光增益結構陣列為例對本發明作進一步詳細描述:
[0033]1.設計并計算取樣DBR光柵的參數。圖2 (a)為所設計的取樣DBR光柵結構的原
理圖，其中，光柵占空比！、取樣周期的占空比^，均定為50%，刻蝕深度h定為15nm。用軟
ΛLs
件計算可得整個周期的有效折射率\ff=3.2411。根據公式可計算出均勻光柵的周期:
, 元' 1580 n in
[0034]/I = T—^ ~rrriTT ^ 244 Bin
Zf|g f f 31^411
[0035]相應的布拉格波長λ 0=1580nmo選擇-1級波長為激射波長，則取樣周期可由以下公式求出:
τ Λ2
[0036]Ls=-~
2"eff( \ _Ai)
[0037]由以上條件可得出所設計的取樣DBR光柵的參數為:
[0038]均勻光柵參數:A =244nm, d=122nm,其它參數如表1所示:
[0039]表1為光柵結構參數表
[0040]
【權利要求】
1.一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其步驟為: 1)利用納米壓印技術在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形； 2)利用刻蝕技術在所述SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結構的硅波導陣列； 3)選取或制備一多量子阱光增益結構陣列；其中，該多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構與所述SOI片上的每一硅波導相對應； 4)以所述多量子阱光增益結構陣列中最接近光增益區的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結構陣列中的每個光增益區與所述SOI片上的硅波導陣列中的每個硅波導光耦合區對準、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟I)的具體實現方法為:首先選取或制備一納米壓印硬模板，所述納米壓印硬模板具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形；然后利用納米壓印技術制備與所述納米壓印硬模板的硅波導陣列圖形互補的軟模板；然后利用所述軟模板在旋涂了納米壓印膠的所述SOI片的硅層上壓印出具有多波長光柵結構的硅波導陣列圖形，脫模，在所述SOI片上制備出具有所述多波長光柵結構的硅波導陣列圖形。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多波長光柵結構為多波長取樣DBR光柵結構或多波長取樣DFB光柵結構。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述多波長光柵結構的光柵占空比、取樣周期的占空比均為50%，刻蝕深度為15nm。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述硅波導的寬度范圍為I?5μπι，高度范圍為200nm?2 μ m。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益結構陣列為InP基多量子阱光增益結構陣列或GaAs基多量子阱光增益結構陣列。
7.如權利要求1或6所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益結構陣列中的每個多量子阱光增益結構都具有上下分別限制層和多量子阱層，并且具有側向限制作用的條形結構。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于在所述SOI片上的每一硅波導兩側設定距離外設置鍵合區制備鍵合層。
9.如權利要求1或8所述的方法，其特征在于所述鍵合層為一復合金屬層，所述復合金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
10.如權利要求9所訴的方法，其特征在于所述鍵合區的寬度范圍可為30?200μ m ;所述粘附金屬層為Cr、Ni或Ti，其厚度范圍為5?20nm ;所述鍵合金屬層為AuSn、InSn,InAu、PbIn或In,其厚度范圍為180nm?2 μ m。
【文檔編號】H01S5/20GK103515842SQ201310471034
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】李艷平, 陶利, 陳娓兮, 冉廣照 申請人:北京大學