一种硅基激光器及其制造方法、光模块与流程

　　随着信息传输对带宽的要求越来越高，光通信市场对100g/400g等高速光模块的需求越来越大，因此需要迫切实现低成本的高速光模块。

　　基于传统三五族(iii-v)直接带隙半导体材料磷化铟(化学式：inp)基分布式反馈激光器(英文名称：distributedfeedbacklaser，简称：dfb)的高速光模块，由于其本身材料的限制，很难实现高于25g的调制带宽，随着带宽的提高，inp基dfb的成本也大幅度提高，从而提高了整体光模块产品的成本。并且利用传统inp基dfb的光模块封装工艺相对复杂。基于此，人们寄希望于硅光平台，利用硅光集成技术研制高带宽、低成本和高集成度的高速光模块。目前，本领域技术人员已经在硅光平台上实现了高速率的硅光调制器、高速率探测器、低损耗传输波导和波分复用等硅光器件，并且实现了各个功能器件的相互集成，成功实现了单路25g/50g的信息传输。然而硅是一种间接带隙材料，发光效率极低，不适合作为光发射器件，这严重制约了硅光技术在光通信领域的应用前景。为此，人们提出利用iii-v直接带隙半导体材料与绝缘衬底上的硅(英文名称：silicononinsulator，简称：soi)硅光芯片混合集成的方案来解决硅光芯片光源难题，主要原理是通过键合技术将iii-v直接带隙半导体增益芯片键合在soi硅光芯片上方，通过在soi硅光芯片上制作无源波导结构，从而与iii-v直接带隙半导体增益芯片形成混合激光器结构，其iii-v直接带隙半导体增益芯片提供光增益，硅上无源波导结构起到波长选择的作用，从而为硅光芯片提供光输入。

　　目前，基于键合技术实现的混合激光器为：混合硅基分布式反馈激光器，该种激光器是通过在soi硅光芯片上制备出分布反馈光栅结构实现激光器的选模特性，在通信光的波长1310nm左右时，该种激光器的分布反馈光栅结构线nm左右，并且激光器的输出性能随光栅的刻蚀深度、光栅线宽变化非常敏感，因此制备工艺复杂，难于控制。

　　硅衬底层、设置于所述硅衬底层上的硅波导、硅微型谐振腔、硅反射镜以及键合于所述硅波导上用于向所述硅波导提供光的光芯片；

　　所述硅反射镜对不同波长的光具有不同的反射率，用于通过所述硅导波接收所述硅微型谐振腔输出的光，部分反射所述硅微型谐振腔输出的光，并通过所述硅导波将反射的传导至所述硅微型谐振腔进行谐振，部分透射所述硅微型谐振腔输出的光对外输出。

　　以所述二氧化硅层为掩膜层对所述绝缘衬底上的硅顶部的硅层刻蚀第一厚度；所述第一厚度为形成所述硅反射镜的布拉格光栅的深度；

　　以所述二氧化硅层和所述保护层为掩膜层对所述绝缘衬底上的硅顶部的硅层刻蚀第二厚度；所述第二预设厚度为所述绝缘衬底上的硅顶部硅层的厚度与所述第一预设厚度的差；

　　本发明的实施例提供的硅基激光器包括：硅衬底层、设置于硅衬底层上的硅波导、硅微型谐振腔、硅反射镜以及键合于硅波导上用于向硅波导提供光的光芯片，首先本发明实施例可以通过光芯片向硅波导提供光，解决硅发光效率低的问题；其次，因为硅微型谐振腔可以对硅导波输入的光芯片提供的光进行谐振，所以硅微型谐振腔可以对输出的光场光进行第一次波长选择；又因为硅反射镜接收硅微型谐振腔输出的光后部分反射硅微型谐振腔输出的光，并通过硅导波将反射的传导至硅微型谐振腔进行谐振，所以硅反射镜可以对输出的场光进行第二次波长选择；即，本发明实施例中通过硅微型谐振腔和硅反射镜对最终输出的激光进行模式选择，从而实现激光的单模输出，相比于现有技术中通过在soi硅光芯片上制备出分布反馈光栅结构实现激光器的选模特性，本发明实施采用硅微型谐振腔和硅反射镜相结合来对激光进行模式选择，结构相对简单，且容易控制，因此可以简化硅基激光器的制造工艺。

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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4为本发明实施例提供的硅反射镜对不同波长的光的反射率变化曲线为本发明实施例提供的另一硅基激光器的俯视图；

　　下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

　　本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

　　需要说明的是，为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不是在对数量和执行次序进行限定。

　　在本发明所有实施例中，需要阐明“层”和“图案”的定义，以及之间的关系。其中，“层”是指利用某一种材料在基板上利用沉积或其他工艺制作出的一层薄膜，而“图案”是指通过光刻、干法刻蚀等工艺对薄膜材料进行选择性刻蚀后保留的部分，因此“层”为形成“图案”的基础材料。

　　此外，本发明实施例中的设置于第一层上的第二层，是指在制程工艺中第一层先于第二层制作，而并非是指在空间位置中第一层位于第二层的上方，在空间位置中层与层之间的上下关系会随放置方式、观察角度等的不同而变化。例如：设置于键合层上的接触层是指在制程工艺中先制作形成键合层，然后再在键合层上制作形成接触层，在空间位置中键合层与接触层之间的上下关系会随放置方式、观察角度等的不同而变化。即，本发明实施例中的设置于第一层上的第二层是指在制程工艺中制作第一层与第二层的先后顺序，而并非是指第一层与第二层在空间位置上的上下关系。

　　基于上述内容，本发明的实施例提供一种硅基激光器，参照图1、2所示，其中，图1为本发明实施例提供的硅基激光器的立体图，图2为本发明实施例提供的硅基激光器的俯视图；本发明实施例提供的硅基激光器包括：

　　硅衬底层1、设置于所述硅衬底层1上的硅波导2、硅微型谐振腔3、硅反射镜4以及键合于所述硅波导2上用于向所述硅波导2提供光的光芯片5。

　　所述硅反射镜4对不同波长的光具有不同的反射率，用于通过所述硅导波2接收所述硅微型谐振腔3输出的光，部分反射所述硅微型谐振腔输3出的光，并通过所述硅导波2将反射的传导至所述硅微型谐振腔3进行谐振，部分透射所述硅微型谐振腔3输出的光对外输出。

　　硅导波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，并将光芯片5提供的光传导至硅微型谐振腔3中；2、将硅微型谐振腔3输出的光传到至硅反射镜4；3、将硅反射镜4反射的光输入硅微型谐振腔3中。

　　需要说明的是，图1、2中以硅波导2为直硅波导为例进行说明，但本发明实施例并不限定于此，在上述实施例的基础上，本领域技术人员还可以将硅波导2设计为弯曲波导或者设置为宽度逐渐变化的锥形波导，但这都属于本发明实施例的合理变通方案，因此均应属于本发明的保护范围之内。

　　硅微型谐振腔3在硅基激光器中的主要作用包括：1、对光芯片5提供的光进行谐振；2、对硅反射镜4反射的光进行谐振。

　　需要说明的是，本发明实施例中硅微型谐振腔3对光进行谐振包括两方面作用，其一为：对输入硅微型谐振腔3的光进行正反馈，其二为：对光场进行波长选择后输出。即，硅微型谐振腔3不会将输入的所有波长的光全部输出，而是输出特定波长的光。

　　此外，在实际应用中可以通过调节硅微型谐振腔3的尺寸调节硅微型谐振腔3的谐振特征，从而使硅微型谐振腔3输出的指定波长的光。示例性的，硅微型谐振腔3输出的光的频谱可以如图3所示，包括：波长为1.520微米(单位：um)、1.531um、1.542um、1.553um、1.564um、1.575um、1.586um等多个等间隔波长的光。

　　硅反射镜4在硅基激光器中的主要作用包括：1、部分反射硅微型谐振腔3输出的光；2、部分透射硅微型谐振腔3输出的光对外输出。示例性的，硅反射镜4对不同波长的光的反射率可以如图4所示，对波长在1.536-1.568um之间的光部分反射、部分透射，对其他波长的光几乎完全透射。在实际应用中可以调节硅反射镜4的结构参数调节硅反射镜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对本发明实施例提供的硅基激光器输出激光的原理进行说明。

　　首先，键合于硅波导2上方的光芯片5在外部电流驱动下产生光，并将光芯片5产生的光耦合进入下方的硅波导2中；硅波导2将光芯片5产生的光进行传导输入硅微型谐振腔3中，硅微型谐振腔3对光芯片5产生的光进行谐振，并输出特定波长的光(可以如图3所示)；其次，硅导波2将硅微型谐振腔3输出的光传导至硅反射镜4处，将硅微型谐振腔3输出的特定波长的光部分反射回硅微型谐振腔3；硅反射镜4反射的光进入硅微型谐振腔3后，硅微型谐振腔3再一次对硅反射镜4反射的光进行谐振后输出至硅反射镜4，即，硅微型谐振腔3输出的光可以在硅微型谐振腔3、硅波导2以及硅反射镜4之间多次震荡，且每一次震荡皆进行一次谐振；最后，硅反射镜4部分透射形成的激光向外输出。

　　进一步的，以下基于上述各器件在硅基激光器中的作用和特征对本发明实施例提供的硅基激光器的实现选模特性的原理进行说明。

　　因为硅反射镜4对不同波长的光具有不同的反射率，所以硅反射镜4每一反射硅微型谐振腔3输出的光时各波长的光反射回硅微型谐振腔3的光量不同，在多次震荡过程中反射率最大的光会不断增强，远强于其他波长的光，因此可以实现硅基激光器的单模输出。

　　例如：在硅微型谐振腔3输出的光的频谱如图3所示，硅反射镜4对波长的光的反射率如图4所示时，硅反射镜4反射回硅微型谐振腔3的光包括波长为：1.541um、1.553um以及1.564um三个波长的光，又由于硅反射镜4对波长为1.541和1.564的光的反射率远小于对波长为1.553的光的反射率，因此在多次震荡过程中，波长为1.553的光会不断增强，远强于波长为1.541和1.564的光，因此输出的波长为1.541和1.564的激光可以忽略不计，硅基激光器输出的激光仅包括一个中心波长1.553，即实现了的单模输出。

　　此外，由于本发明实施例中是通过硅微型谐振腔3和硅反射镜4相结合来对激光进行模式选择，所以可以实现较大的硅微型谐振腔3尺寸，进而使硅基激光器具有较高的品质因子。

　　本发明的实施例提供的硅基激光器包括：硅衬底层、设置于硅衬底层上的硅波导、硅微型谐振腔、硅反射镜以及键合于硅波导上用于向硅波导提供光的光芯片，首先本发明实施例可以通过光芯片向硅波导提供光，解决硅发光效率低的问题；其次，因为硅微型谐振腔可以对硅导波输入的光芯片提供的光进行谐振，所以硅微型谐振腔可以对输出的光场光进行第一次波长选择；又因为硅反射镜接收硅微型谐振腔输出的光后部分反射硅微型谐振腔输出的光，并通过硅导波将反射的传导至硅微型谐振腔进行谐振，所以硅反射镜可以对输出的场光进行第二次波长选择；即，本发明实施例中通过硅微型谐振腔和硅反射镜对最终输出的激光进行模式选择，从而实现激光的单模输出，相比于现有技术中通过在soi硅光芯片上制备出分布反馈光栅结构实现激光器的选模特性，本发明实施采用硅微型谐振腔和硅反射镜相结合来对激光进行模式选择，结构相对简单，且容易控。