一種硅基激光器及其制造方法、光模塊與流程

本發明涉及硅光子集成技術領域，尤其涉及一種硅基激光器及其制造方法、光模塊。

背景技術：

隨著信息傳輸對帶寬的要求越來越高，光通信市場對100g/400g等高速光模塊的需求越來越大，因此需要迫切實現低成本的高速光模塊。

基于傳統三五族(iii-v)直接帶隙半導體材料磷化銦(化學式：inp)基分布式反饋激光器(英文名稱：distributedfeedbacklaser，簡稱：dfb)的高速光模塊，由于其本身材料的限制，很難實現高于25g的調制帶寬，隨著帶寬的提高，inp基dfb的成本也大幅度提高，從而提高了整體光模塊產品的成本。并且利用傳統inp基dfb的光模塊封裝工藝相對復雜。基于此，人們寄希望于硅光平臺，利用硅光集成技術研制高帶寬、低成本和高集成度的高速光模塊。目前，本領域技術人員已經在硅光平臺上實現了高速率的硅光調制器、高速率探測器、低損耗傳輸波導和波分復用等硅光器件，并且實現了各個功能器件的相互集成，成功實現了單路25g/50g的信息傳輸。然而硅是一種間接帶隙材料，發光效率極低，不適合作為光發射器件，這嚴重制約了硅光技術在光通信領域的應用前景。為此，人們提出利用iii-v直接帶隙半導體材料與絕緣襯底上的硅(英文名稱：silicononinsulator，簡稱：soi)硅光芯片混合集成的方案來解決硅光芯片光源難題，主要原理是通過鍵合技術將iii-v直接帶隙半導體增益芯片鍵合在soi硅光芯片上方，通過在soi硅光芯片上制作無源波導結構，從而與iii-v直接帶隙半導體增益芯片形成混合激光器結構，其iii-v直接帶隙半導體增益芯片提供光增益，硅上無源波導結構起到波長選擇的作用，從而為硅光芯片提供光輸入。

目前，基于鍵合技術實現的混合激光器為：混合硅基分布式反饋激光器，該種激光器是通過在soi硅光芯片上制備出分布反饋光柵結構實現激光器的選模特性，在通信光的波長1310nm左右時，該種激光器的分布反饋光柵結構線寬在100nm左右，并且激光器的輸出性能隨光柵的刻蝕深度、光柵線寬變化非常敏感，因此制備工藝復雜，難于控制。

技術實現要素：

本發明的實施例提供一種硅基激光器及其制造方法、光模塊，用于簡化硅基激光器的制造工藝。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

第一方面，提供一種硅基激光器，包括：

硅襯底層、設置于所述硅襯底層上的硅波導、硅微型諧振腔、硅反射鏡以及鍵合于所述硅波導上用于向所述硅波導提供光的光芯片；

所述硅波導的一端連接所述硅微型諧振腔，另一端連接所述硅反射鏡；

所述硅微型諧振腔用于對所述硅導波輸入的所述光芯片提供的光進行諧振；

所述硅反射鏡對不同波長的光具有不同的反射率，用于通過所述硅導波接收所述硅微型諧振腔輸出的光，部分反射所述硅微型諧振腔輸出的光，并通過所述硅導波將反射的傳導至所述硅微型諧振腔進行諧振，部分透射所述硅微型諧振腔輸出的光對外輸出。

第二方面，提供一種制造硅基激光器的方法，包括：

在絕緣襯底上的硅的頂部的硅層上形成二氧化硅層；

對所述二氧化硅層進行刻蝕將硅微型諧振腔、硅波導以及硅反射鏡的圖形轉移到所述二氧化硅層上；

以所述二氧化硅層為掩膜層對所述絕緣襯底上的硅頂部的硅層刻蝕第一厚度；所述第一厚度為形成所述硅反射鏡的布拉格光柵的深度；

在所述硅反射鏡對應的位置處涂覆光刻膠形成保護層；

以所述二氧化硅層和所述保護層為掩膜層對所述絕緣襯底上的硅頂部的硅層刻蝕第二厚度；所述第二預設厚度為所述絕緣襯底上的硅頂部硅層的厚度與所述第一預設厚度的差；

去除所述二氧化硅層和所述保護層；

在所述硅波導上鍵合用于向所述硅波導提供光的光芯片。

第三方面，提供一種光模塊，包括上述的硅基激光器。

本發明的實施例提供的硅基激光器包括：硅襯底層、設置于硅襯底層上的硅波導、硅微型諧振腔、硅反射鏡以及鍵合于硅波導上用于向硅波導提供光的光芯片，首先本發明實施例可以通過光芯片向硅波導提供光，解決硅發光效率低的問題；其次，因為硅微型諧振腔可以對硅導波輸入的光芯片提供的光進行諧振，所以硅微型諧振腔可以對輸出的光場光進行第一次波長選擇；又因為硅反射鏡接收硅微型諧振腔輸出的光后部分反射硅微型諧振腔輸出的光，并通過硅導波將反射的傳導至硅微型諧振腔進行諧振，所以硅反射鏡可以對輸出的場光進行第二次波長選擇；即，本發明實施例中通過硅微型諧振腔和硅反射鏡對最終輸出的激光進行模式選擇，從而實現激光的單模輸出，相比于現有技術中通過在soi硅光芯片上制備出分布反饋光柵結構實現激光器的選模特性，本發明實施采用硅微型諧振腔和硅反射鏡相結合來對激光進行模式選擇，結構相對簡單，且容易控制，因此可以簡化硅基激光器的制造工藝。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的硅基激光器的立體圖；

圖2為本發明實施例提供的硅基激光器的俯視圖；

圖3為本發明實施例提供的硅微型諧振腔輸出的光的頻譜；

圖4為本發明實施例提供的硅反射鏡對不同波長的光的反射率變化曲線圖；

圖5為本發明實施例提供的另一硅基激光器的俯視圖；

圖6為本發明實施例提供的再一硅基激光器的俯視圖；

圖7為本發明實施例提供的三五族直接帶隙半導體增益芯片的截面圖；

圖8為本發明實施例提供的制造硅基激光器的方法的步驟流程圖之一；

圖9為本發明實施例提供的制造硅基激光器的方法的步驟流程圖之二。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例中，“示例性的”或者“例如”等詞用于表示作例子、例證或說明。本發明實施例中被描述為“示例性的”或者“例如”的任何實施例或設計方案不應被解釋為比其它實施例或設計方案更優選或更具優勢。確切而言，使用“示例性的”或者“例如”等詞旨在以具體方式呈現相關概念。

需要說明的是，為了便于清楚描述本發明實施例的技術方案，在本發明的實施例中，采用了“第一”、“第二”等字樣對功能和作用基本相同的相同項或相似項進行區分，本領域技術人員可以理解“第一”、“第二”等字樣并不是在對數量和執行次序進行限定。

在本發明所有實施例中，需要闡明“層”和“圖案”的定義，以及之間的關系。其中，“層”是指利用某一種材料在基板上利用沉積或其他工藝制作出的一層薄膜，而“圖案”是指通過光刻、干法刻蝕等工藝對薄膜材料進行選擇性刻蝕后保留的部分，因此“層”為形成“圖案”的基礎材料。

此外，本發明實施例中的設置于第一層上的第二層，是指在制程工藝中第一層先于第二層制作，而并非是指在空間位置中第一層位于第二層的上方，在空間位置中層與層之間的上下關系會隨放置方式、觀察角度等的不同而變化。例如：設置于鍵合層上的接觸層是指在制程工藝中先制作形成鍵合層，然后再在鍵合層上制作形成接觸層，在空間位置中鍵合層與接觸層之間的上下關系會隨放置方式、觀察角度等的不同而變化。即，本發明實施例中的設置于第一層上的第二層是指在制程工藝中制作第一層與第二層的先后順序，而并非是指第一層與第二層在空間位置上的上下關系。

基于上述內容，本發明的實施例提供一種硅基激光器，參照圖1、2所示，其中，圖1為本發明實施例提供的硅基激光器的立體圖，圖2為本發明實施例提供的硅基激光器的俯視圖；本發明實施例提供的硅基激光器包括：

硅襯底層1、設置于所述硅襯底層1上的硅波導2、硅微型諧振腔3、硅反射鏡4以及鍵合于所述硅波導2上用于向所述硅波導2提供光的光芯片5。

硅波導2的一端連接所述硅微型諧振腔，另一端連接所述硅反射鏡。

所述硅微型諧振腔3用于對所述硅導波2輸入的所述光芯片5提供的光進行諧振。

所述硅反射鏡4對不同波長的光具有不同的反射率，用于通過所述硅導波2接收所述硅微型諧振腔3輸出的光，部分反射所述硅微型諧振腔輸3出的光，并通過所述硅導波2將反射的傳導至所述硅微型諧振腔3進行諧振，部分透射所述硅微型諧振腔3輸出的光對外輸出。

以下對上述實施例中各器件在硅基激光器中的作用以及特性進行說明：

硅導波2在硅基激光器中的主要作用包括：1、接收光芯片5提供的光，并將光芯片5提供的光傳導至硅微型諧振腔3中；2、將硅微型諧振腔3輸出的光傳到至硅反射鏡4；3、將硅反射鏡4反射的光輸入硅微型諧振腔3中。

需要說明的是，圖1、2中以硅波導2為直硅波導為例進行說明，但本發明實施例并不限定于此，在上述實施例的基礎上，本領域技術人員還可以將硅波導2設計為彎曲波導或者設置為寬度逐漸變化的錐形波導，但這都屬于本發明實施例的合理變通方案，因此均應屬于本發明的保護范圍之內。

硅微型諧振腔3在硅基激光器中的主要作用包括：1、對光芯片5提供的光進行諧振；2、對硅反射鏡4反射的光進行諧振。

需要說明的是，本發明實施例中硅微型諧振腔3對光進行諧振包括兩方面作用，其一為：對輸入硅微型諧振腔3的光進行正反饋，其二為：對光場進行波長選擇后輸出。即，硅微型諧振腔3不會將輸入的所有波長的光全部輸出，而是輸出特定波長的光。

此外，在實際應用中可以通過調節硅微型諧振腔3的尺寸調節硅微型諧振腔3的諧振特征，從而使硅微型諧振腔3輸出的指定波長的光。示例性的，硅微型諧振腔3輸出的光的頻譜可以如圖3所示，包括：波長為1.520微米(單位：um)、1.531um、1.542um、1.553um、1.564um、1.575um、1.586um等多個等間隔波長的光。

硅反射鏡4在硅基激光器中的主要作用包括：1、部分反射硅微型諧振腔3輸出的光；2、部分透射硅微型諧振腔3輸出的光對外輸出。示例性的，硅反射鏡4對不同波長的光的反射率可以如圖4所示，對波長在1.536-1.568um之間的光部分反射、部分透射，對其他波長的光幾乎完全透射。在實際應用中可以調節硅反射鏡4的結構參數調節硅反射鏡4的反射特性。

以下基于上述各器件在硅基激光器中的作用和特征對本發明實施例提供的硅基激光器輸出激光的原理進行說明。

首先，鍵合于硅波導2上方的光芯片5在外部電流驅動下產生光，并將光芯片5產生的光耦合進入下方的硅波導2中；硅波導2將光芯片5產生的光進行傳導輸入硅微型諧振腔3中，硅微型諧振腔3對光芯片5產生的光進行諧振，并輸出特定波長的光(可以如圖3所示)；其次，硅導波2將硅微型諧振腔3輸出的光傳導至硅反射鏡4處，將硅微型諧振腔3輸出的特定波長的光部分反射回硅微型諧振腔3；硅反射鏡4反射的光進入硅微型諧振腔3后，硅微型諧振腔3再一次對硅反射鏡4反射的光進行諧振后輸出至硅反射鏡4，即，硅微型諧振腔3輸出的光可以在硅微型諧振腔3、硅波導2以及硅反射鏡4之間多次震蕩，且每一次震蕩皆進行一次諧振；最后，硅反射鏡4部分透射形成的激光向外輸出。

進一步的，以下基于上述各器件在硅基激光器中的作用和特征對本發明實施例提供的硅基激光器的實現選模特性的原理進行說明。

因為硅反射鏡4對不同波長的光具有不同的反射率，所以硅反射鏡4每一反射硅微型諧振腔3輸出的光時各波長的光反射回硅微型諧振腔3的光量不同，在多次震蕩過程中反射率最大的光會不斷增強，遠強于其他波長的光，因此可以實現硅基激光器的單模輸出。

例如：在硅微型諧振腔3輸出的光的頻譜如圖3所示，硅反射鏡4對波長的光的反射率如圖4所示時，硅反射鏡4反射回硅微型諧振腔3的光包括波長為：1.541um、1.553um以及1.564um三個波長的光，又由于硅反射鏡4對波長為1.541和1.564的光的反射率遠小于對波長為1.553的光的反射率，因此在多次震蕩過程中，波長為1.553的光會不斷增強，遠強于波長為1.541和1.564的光，因此輸出的波長為1.541和1.564的激光可以忽略不計，硅基激光器輸出的激光僅包括一個中心波長1.553，即實現了的單模輸出。

此外，由于本發明實施例中是通過硅微型諧振腔3和硅反射鏡4相結合來對激光進行模式選擇，所以可以實現較大的硅微型諧振腔3尺寸，進而使硅基激光器具有較高的品質因子。

本發明的實施例提供的硅基激光器包括：硅襯底層、設置于硅襯底層上的硅波導、硅微型諧振腔、硅反射鏡以及鍵合于硅波導上用于向硅波導提供光的光芯片，首先本發明實施例可以通過光芯片向硅波導提供光，解決硅發光效率低的問題；其次，因為硅微型諧振腔可以對硅導波輸入的光芯片提供的光進行諧振，所以硅微型諧振腔可以對輸出的光場光進行第一次波長選擇；又因為硅反射鏡接收硅微型諧振腔輸出的光后部分反射硅微型諧振腔輸出的光，并通過硅導波將反射的傳導至硅微型諧振腔進行諧振，所以硅反射鏡可以對輸出的場光進行第二次波長選擇；即，本發明實施例中通過硅微型諧振腔和硅反射鏡對最終輸出的激光進行模式選擇，從而實現激光的單模輸出，相比于現有技術中通過在soi硅光芯片上制備出分布反饋光柵結構實現激光器的選模特性，本發明實施采用硅微型諧振腔和硅反射鏡相結合來對激光進行模式選擇，結構相對簡單，且容易控制，因此可以簡化硅基激光器的制造工藝。

可選的，上述硅基激光器中的硅波導2、硅微型諧振腔3以及硅反射鏡4可以通過對soi的頂部的硅層進行刻蝕形成。如圖1所示，當硅波導2、硅微型諧振腔3以及硅反射鏡4通過soi的頂部的硅層刻蝕形成時，硅襯底1與硅波導2、硅微型諧振腔3以及硅反射鏡4之間還包括掩埋氧化物(英文名稱：buriedoxide簡稱：box)層6。

可選的，如圖1所示，光芯片5具體可以通過鍵合層7鍵合于硅波導2上方。

可選的，如圖1所示，上述硅基激光器還可以包括：激光輸出端口8；激光輸出端口8設置于硅反射鏡4的透射端，用于接收硅反射鏡4透射出的激光并輸出。

示例性的，激光輸出端口8可以通過對硅導波2進行選擇性刻蝕形成。

可選的，上述實施例中的硅微型諧振腔3為微環諧振腔或微盤諧振腔。

進一步可選的，硅微型諧振腔3的外輪廓的形狀為圓形、正方形或正六邊形或正八邊形；

當硅微型諧振腔為微環諧振腔時，硅微型諧振腔的內輪廓的形狀為圓形。

示例性的，參照圖5、6所示，圖5、6為本發明實施例提供的硅基激光器的俯視圖。其中，圖5中以硅微型諧振腔3為微盤諧振腔且硅微型諧振腔3的外輪廓的形狀為正方形為例對本發明實施例進行說明；圖6中硅微型諧振腔3為微環諧振腔且硅微型諧振腔3的外輪廓的形狀為正八邊形、硅微型諧振腔3的內輪廓的形狀為圓形對本發明實施例進行說明。

還需說明的是，在上述實施例的基礎上，本領域技術人員還可以將硅微型諧振腔3的外輪廓的形狀設計為其他形狀，例如：正十六邊形、不規則形狀等，但這屬于本發明實施例的合理變通方案，因此均屬于本發明的保護范圍之內。

可選的，上述實施例中的硅反射鏡4為布拉格光柵結構的反射鏡。

進一步可選的，上述硅反射鏡4通過對硅波導2進行選擇性刻蝕形成。

可選的，上述實施例中的光芯片5包括：三五族直接帶隙半導體增益芯片和波導結構；

三五族直接帶隙半導體增益芯片用于產生光；

波導結構用于將三五族直接帶隙半導體增益芯片產生的光耦合進入硅波導中。

可選的，上述波導結構可以通過對三五族直接帶隙半導體增益芯片進行刻蝕形成。具體的，上述波導結構可以為直波導或彎曲波導或寬度逐漸變化為錐形波導。

通過波導結構將三五族直接帶隙半導體增益芯片產生的光耦合進入硅波導的硅波導可以提高光耦合效率，從而提高硅基激光器的能效。

進步一的，參照圖7所示，上述三五族直接帶隙半導體增益芯片包括：接觸層51、設置于接觸層51上的下光場限制層52、n型電極接觸層53以及依次設置于下光場限制層52上的有源層54、上光場限制層55、上限制層56、歐姆接觸層57、p型電極接觸層58。

具體的，上述三五族直接帶隙半導體增益芯片可以是量子阱結構或量子點結構或其他多層直接帶隙半導體結構。三五族直接帶隙半導體增益芯片包括但不限于上述接觸層51、限制層52、n型電極接觸層53、有源層54、上光場限制層55、上限制層56、歐姆接觸層57、p型電極接觸層58。

本發明再一實施例提供一種制造硅基激光器的方法，該制造硅基激光器的方法可以制造上述任一實施例提供的硅基激光器。具體的，參照圖8所示，該方法包括如下步驟：

s81、在soi的頂部的硅層上形成二氧化硅(化學式：sio2)層。

可選的，可以通過化學沉積、氣象沉積、熱生長等方式在在soi的頂部的硅層上形成二氧化硅層。

s82、對二氧化硅層進行刻蝕將硅波導的硅微型諧振腔、硅波導以及硅反射鏡圖形轉移到二氧化硅層上。

示例性的，可以首先在二氧化硅層上涂覆一層光刻膠，然后利用具有硅波導的硅微型諧振腔、硅波導、硅反射鏡以及硅輸出端口的圖形的掩膜板對光刻膠進行曝光，再然后將硅波導圖形以外的光刻膠去除露出二氧化硅層，對露出二氧化硅層進行刻蝕從而將硅波導的硅微型諧振腔、硅波導、硅反射鏡以及硅輸出端口的圖形轉移到二氧化硅層上，最后再將剩余二氧化硅圖案上的光刻膠去除。即可以通過一次構圖工藝(涂膠、曝光、顯影、刻蝕、剝離)將硅波導的硅微型諧振腔、硅波導、硅反射鏡以及硅輸出端口的圖形轉移到二氧化硅層上。可選的，上述刻蝕方法可以為干法刻蝕。

s83、以二氧化硅層為掩膜層對soi頂部的硅層刻蝕第一厚度。

其中，第一厚度為形成硅反射鏡的布拉格光柵的深度。

可選的，可以采用干法刻蝕對soi頂部的硅層進行刻蝕。

s84、在硅反射鏡對應的位置處涂覆光刻膠形成保護層。

s85、以二氧化硅層和保護層為掩膜層對soi頂部的硅層刻蝕第二厚度。

其中，第二預設厚度為soi頂部硅層的厚度與第一預設厚度的差。

即，將soi頂部硅層上未被二氧化硅層或保護層遮擋位置處完全刻蝕掉，露出soi中間的box層。

同樣，可以采用干法刻蝕對soi頂部的硅層進行刻蝕。

s86、去除二氧化硅層和保護層。

s87、在硅波導上鍵合用于向硅波導提供光的光芯片。

具體的，參照圖9所示，上述步驟s87中在所述硅波導上鍵合用于向所述硅波導提供光的光芯片包括：

s871、在所述硅波導上制作鍵合層。

s872、連接三五族直接帶隙半導體增益芯片的接觸層與鍵合層。

s873、去除三五族直接帶隙半導體增益芯片的襯底露出三五族直接帶隙半導體增益芯片的歐姆接觸層。

s874、將三五族直接帶隙半導體增益芯片的n型電極區域刻蝕至接觸層。

s875、在歐姆接觸層上制作p型電極接觸層以及在接觸層上制作n型電極接觸層。

本發明再一實施例提供一種光模塊，包括上述任一實施例提供的硅基激光器。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。