一种激光器阵列的制作方法及激光器阵列与流程

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光器阵列的制作方法及激光器阵列。

背景技术：

光纤通信是现代通信网络的主要传输手段之一，近年来随着云计算、云存储、“互联网+”等网络服务的不断兴起，人们对信息传输速度的要求越来越高。高速率、大容量、低成本是目前光纤通信技术的主要目标，然而以分立器件构成的传统光纤通信系统已经越来越不能满足需求，成本和速率瓶颈日显，因此光子集成技术成为了光纤通信器件发展的必然趋势。特别是进入21世纪后，大规模光子集成芯片进入了蓬勃发展时期。集成化的激光器阵列是下一代无源光网络接入系统的主要光源，市场应用潜力巨大，因此研制混合集成的激光器阵列芯片具有较大的经济和社会意义。

目前实现光子集成的平台主要是硅基混合集成，到目前为止，采用芯片键合技术很容易制成硅基混合集成的半导体激光器，其中分布反馈(distributedfeedback,dfb)光栅制作在硅波导上，铟磷波导与硅波导通过倏逝波耦合，最终得到的光由宽度渐变的模式变换器耦合进硅波导中。然而在实际应用中，为了保证激光器系统的灵活性，激光器的波长需要满足一定条件的覆盖范围。比如在波分复用(wavelengthdivisionmultiplexing,wdm)系统中，需要的不仅仅是固定波长的激光器，而是激光器阵列或者可调谐激光器。

激光器阵列对光栅的加工精度要求非常高，例如在制作波长间隔为100ghz的光栅阵列时，如果使用电子束光刻技术(electronbeamlithography,ebl)，则激光器阵列光栅的精度需要达到+/-0.1nm。当激光器阵列所需的波长 数较多时，需要制备高精度的硅基激光器阵列，现有技术是难以实现的。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种激光器阵列的制作方法，用以解决现有技术中难以制备高精度的硅基激光器阵列的问题。

本申请实施例还提供一种激光器阵列，用以解决现有技术中难以制备高精度的硅基激光器阵列的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

一种激光器阵列的制作方法，包括：

利用重构-等效啁啾技术制备用于构成激光器阵列的无源芯片；

制备用于构成激光器阵列的外延片；

利用芯片键合技术对所述无源芯片和外延片进行键合；

通过后续工艺，制备激光器阵列；所述后续工艺包括对所述外延片进行刻蚀和沉积金属工艺。

一种激光器阵列：

所述激光器阵列是根据权利要求1～8任一方法获得的。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

相对于现有技术中难以制备高精度的硅基激光器阵列的问题，本申请实施例1提供的激光器阵列制作方法，通过利用重构-等效啁啾技术制备用于构成激光器阵列的无源芯片，并通过芯片键合技术对无源芯片和外延片进行键合，得到了波长精确的激光器阵列。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种硅基混合激光器阵列的具体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种激光器波导截面结构示意图；

图3为本申请实施例1提供的一种等效相移光栅制作流程示意图；

图4为本申请实施例1提供的另一种等效相移光栅制作流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种模式变换耦合结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种模式变换耦合结构示意图和模式耦合过程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种等效相移光栅结构示意图；

图8为本申请实施例1提供的一种激光器阵列制作方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

为解决现有技术中难以制备高精度的硅基激光器阵列的问题，本申请实施例1提供一种激光器阵列的制作方法。

该方法的实现流程示意图如图8所示，包括下述步骤：

步骤11：利用重构-等效啁啾技术制备用于构成激光器阵列的无源芯片；

本申请实施例中，所述激光器阵列是指包含由至少两个激光器组成的激光器阵列结构的激光器阵列，所述至少两个激光器的排列规则可以是周期性排 列，如图1所示。所述激光器阵列中的每个激光器包含光栅结构，每个激光器的采样光栅周期各不相同，每个激光器的激射波长也不相同。在需要激光器阵列中某个激光器的激射波长的激光时，可以通过选择激光器阵列中对应的激光器，并使其发生激射，以便获得所需波长的激光。其中，单个激光器的波导截面如图2所示。

本申请实施例中，所述无源芯片包含硅波导层以及硅波导层上包含等效相移结构的光栅结构。本申请实施例中，可以利用重构-等效啁啾技术制备所述无源芯片。具体地，可以通过在无源衬底上制备硅波导层以及硅波导层上包含等效相移结构的光栅结构，进而实现所述无源芯片的制备。

在实际应用中，可以利用重构-等效啁啾技术对绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,soi)进行刻蚀来制备所述硅波导层以及硅波导层上包含等效相移结构的光栅结构。

具体地，硅波导结构的制作可以利用刻蚀技术，在实际应用中，由于硅波导层上光栅结构的制作也可以利用刻蚀技术，因此，可以制作包含光栅结构和硅波导结构的刻蚀掩膜板，以便同时制作所述硅波导结构和所述硅波导层上的光栅结构。

本申请实施例中，硅波导层上的光栅为包含等效相移结构的光栅，为了便于描述，我们将包含等效相移结构的光栅称为等效相移光栅。所述等效相移光栅的具体结构是将周期性的均匀光栅中的部分光栅去除后形成的结构，如图7所示。由于所述等效相移光栅是以所述周期性的均匀光栅为基础形成的，因此，我们将所述周期性的均匀光栅称为种子光栅。

在实际应用中，利用等效啁啾技术在硅波导层上制作所述等效相移光栅的方法包括以下两种：

1、在硅波导层上制作种子光栅后，再制作等效相移光栅；

2、制作包含等效相移光栅结构的光刻掩膜材料，然后利用所述光刻掩膜材料，制备等效相移光栅。

以下对上述两种方法做详细说明：

第1种方法：在硅波导层上制作种子光栅后，再制作等效相移光栅；

①首先通过全息曝光的方式，在硅波导层上制作均匀的种子光栅；②然后利用采样掩膜板，通过接触式光刻技术对具备种子光栅结构的所述硅波导层进行刻蚀，将采样结构制作到所述硅波导层上，即可得到等效相移光栅。第1种方法的实现流程示意图如图3所示。所述采样掩膜板指具备采样结构的掩膜材料，采样结构即为种子光栅中被刻蚀掉的光栅部分所形成的图案。

第2中方法：制作包含等效相移光栅结构的光刻掩膜材料，然后利用所述光刻掩膜材料，制备等效相移光栅。

①首先使用全息曝光的方式，在光刻掩模材料上制作均匀的种子光栅，得到具备种子光栅结构的光刻掩模材料；②然后在所述具备种子光栅结构的光刻掩模材料上，制作采样结构，得到具备采样结构的光刻掩模材料；③再利用具备所述采样结构光刻掩模材料，制作具备采样光栅结构的等效相移光栅。第2种方法的实现流程示意图如图4所示。

在实际应用中，由于硅波导结构和光栅结构可以同时进行制作，因此，上述第2中方法的光刻掩膜材料中也可以包括硅波导结构，则在利用所述掩膜材料对光栅结构和硅波导结构进行制作时的步骤包括：

在所述具备种子光栅结构的光刻掩模材料上，制作采样结构和硅波导结构，得到具备采样结构和硅波导结构的光刻掩模材料；利用具备采样结构和硅波导结构的光刻掩模材料，制作具备采样光栅和硅波导的硅波导层。

本申请实施例中，可以在光刻掩膜材料中制作波导阵列结构，同时每个波导结构中均可包含等效相移光栅结构。即可以通过所述光刻掩膜材料制作激光器阵列，以便实现对激光器阵列的大规模光子集成，制作时间短、成本低、成品率高。

在实际应用中，根据对激光器性能的要求，所述soi的绝缘层厚度可以在1μm到3μm之间，所述硅波导层的厚度可以在200nm到500nm之间，所述硅 波导层的刻蚀深度在50nm到500nm之间，所述硅波导宽度在400nm到4μm之间。所述光栅的刻蚀深度在50nm到500nm之间，光栅阵列波长数值可以满足itu-t标准。

上述光栅制作方法可以用于制作波长间隔为100ghz的激光器阵列。所述种子光栅的周期、占空比以及采样结构的尺寸可以根据实际要求进行取值，本方法不对此做限定。例如，通过上述方法可以制作种子光栅周期为260nm、占空比为0.5、采样周期在3μm到6μm之间的等效相移光栅。

步骤12：制备用于构成激光器阵列的外延片；

本申请实施例中，所述外延片中包含波导材料，在外延片的衬底上依次生长制备外延片所需的各层，例如，在衬底上依次生长p型材料和n型材料。

根据外延片中外延片波导材料的不同，本申请实施例中，所述外延片包括但不限于：铟磷(inp)外延片、镓砷外延片等。为了便于描述，本申请实施例中，将以铟磷外延片为例，对后续步骤进行描述。

在实际应用中，当所述外延片波导材料为铟磷时，可以依次在铟磷衬底上生长ingaas牺牲层、inp牺牲层、ingaas欧姆接触层、p型掺杂inp波导层、inp波导层、ingaasp限制层、应变ingaasp多量子阱层、ingaasp限制层、n型掺杂inp层、ingaasp晶格匹配层、inp晶格匹配层、ingaas牺牲层、inp牺牲层。

由于制备用于构成激光器阵列外延片的方法为现有技术中较为成熟的技术，本说明书中对此不再进一步赘述。

步骤13：利用芯片键合技术对所述无源芯片和外延片进行键合；

本申请实施例中，利用芯片键合技术对无源芯片中的硅波导和外延片波导进行键合，实现了无源芯片中的硅波导和外延片中n型材料的键合，

本申请实施例中利用的芯片键合技术包括但不限于下述至少一种：

直接键合技术；介质结合技术。

为了便于描述，下面以soi无源芯片和inp外延片为例，对芯片键合方法 做详细描述。其中所述soi无源芯片可以通过执行步骤11获取到，所述inp外延片可以通过执行步骤12获取到。

在实际应用中，当利用直接键合技术对无源芯片中的硅波导和外延片波导进行键合时，键合步骤如下：

首先可以将所述inp外延片和所述soi芯片清洗干净后分别沉积的氧化硅(sio2)，氧化硅的厚度比如可以是30nm；然后在一定的温度和压力下，依靠分子间的范德瓦尔斯力，将沉积有二氧化硅的所述inp外延片和所述soi芯片粘合在一起。其中，键合厚度由激光器光栅反馈强度来决定，可在10nm到200nm之间。

在实际应用中，也可以采用介质键合技术对所述inp外延片和所述soi芯片进行键合，即依靠有机粘合物或者金属来实现芯片之间的键合。也可以采用芯片转移方法，来提高inp外延片中有源材料的利用效率。由于介质键合技术是较为成熟的现有技术，本说明书中对此不再进一步赘述。

步骤14：通过对所述外延片进行刻蚀，制备激光器阵列。

本申请实施例中，在对所述无源芯片和外延片进行键合后，为了实现外延片波导和硅波导之间光的耦合，可以通过对所述外延片的波导进行刻蚀，形成符合预定外延片波导尺寸的外延片波导。所述预定外延片波导尺寸的外延片波导和无源芯片上的硅波导形成模式变换结构，所述模式变换结构，为用以实现外延片波导和硅波导之间光耦合的结构。

所述模式变换结构如图5所示，铟磷波导和硅波导上下放置，在光耦合过程中，铟磷波导和硅波导的宽度逐渐减小，经过耦合区域后，光可以从铟磷波导转移到硅波导。该模式变换结构的耦合效率可以达到90％以上。耦合区的长度在80μm到200μm之间，铟磷波导的尖端宽度在300nm到800nm之间，硅波导的尖端宽度在100nm到500nm之间。此外在inp波导上也可以采用两级渐变的结构，例如在30μm的长度内将3μm的inp波导变窄至1μm，然后再在150μm的长度内将其变窄至400nm。

在如图6-1所示的模式变换结构中，模式的耦合过程示意图如图6-2所示。其中，所述模式变换结构的尺寸如图中标注所示。

激光器阵列输出的各个波长的激光可以采用电吸收调制器来进行信号调制，然后通过制作在soi上的阵列波导光栅(arrayedwaveguidegrating，awg)、多模干涉(multimodeinterference，mmi)器件耦合输出。

相对于现有技术中难以实现高精度的硅基激光器阵列的问题，本申请实施例1提供的激光器阵列制作方法，通过利用重构-等效啁啾技术制备无源芯片中的波导光栅，并通过芯片键合技术对无源芯片和外延片进行键合，得到了波长精确的激光器阵列。

实施例2

本申请实施例2，主要介绍本申请实施例1提供的上述方法在实际中的一种应用方案。

在对该方案的实现方式进行详细介绍前，先对该方案的实施场景进行简单介绍：

本申请实施例，拟制备硅基混合集成的八波长激光器阵列，所述激光器阵列的整体结构如图1所示，波导截面如图2所示。

基于上述实施场景，实施例2提供的激光器阵列制作过程包括下述步骤：

步骤21：通过全息曝光的方式，在soi芯片的硅波导层上制作均匀的种子光栅；

其中，所述soi芯片上硅波导层厚度为400nm，其下方的sio2介质层厚度为2μm。

步骤22：利用采样掩膜板，通过接触式光刻技术对具备种子光栅结构的所述硅波导层进行刻蚀，将采样结构和硅波导结构制作到所述硅波导层上，即可得到等效相移光栅和硅波导；

本申请实施例中，在进行采样结构和硅波导的刻蚀时，所使用的光刻掩模 版含有采样结构和硅波导图案，可以同时对采样结构和硅波导结构进行制作。波导与光栅的刻蚀深度均为180nm，波导的宽度为3μm，光栅是基于rec技术设计的采样布拉格光栅阵列，种子光栅周期为260nm，占空比为0.5，采样周期在3～6μm之间，并且在每个激光器中间都引入了等效相移。波导与光栅刻蚀完成后生长1μm的sio2包覆层，然后减薄抛光至硅波导上方，使得soi芯片的表面平坦。

步骤23：铟磷外延片的制作；

依次在inp衬底上生长100nm的ingaas牺牲层、100nm的inp牺牲层、100nm的ingaas欧姆接触层(掺杂浓度为3×10¹⁹cm^-3)、1μm的p型掺杂inp波导层(掺杂浓度逐渐从5×10¹⁸cm^-3变化到5×10¹⁷cm^-3)、500nm的inp波导层(掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3)、100nm的ingaasp限制层(光荧光波长1.17μm)、应变ingaasp多量子阱层(光荧光波长1.53μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变；垒宽10nm，晶格匹配材料)、100nm的ingaasp限制层(光荧光波长1.17μm)、200nm的n型掺杂inp层(掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3)、15nm的ingaasp晶格匹配层、15nm的inp晶格匹配层、100nm的ingaas牺牲层、100nm的inp牺牲层。

步骤24：将soi芯片清洗干净后，将inp外延片清洗干净并去除表面的100nminp牺牲层和100nmingaas牺牲层；

步骤25：在清洗后的soi芯片和inp外延片上生长30nm的sio2；

步骤26：在一定的温度和压力下完成的，依靠分子间的范德瓦尔斯力将两个芯片粘合在一起。需要注意的是，在放置芯片时需要确保铟磷外延片的主边平行于波导，因为其后波导的湿法腐蚀过程是沿着一定晶向进行的。

步骤27：在完成芯片键合后，去除inp衬底以及100nm的ingaas牺牲层和100nm的inp牺牲层；

步骤28：刻蚀铟磷波导，可使用200nm的sinx作为掩模材料，并采用湿法腐蚀的方式刻蚀100nm的ingaas欧姆接触层和1.5μm的inp波导层，波导 宽度为3μm；

步骤29：刻蚀量子阱材料，采用200nm的sinx作为掩模材料，使用1:1:10的h2so4：h2o2：h2o溶液腐蚀ingaasp多量子阱层；生长n型电极，使用电子束蒸发方式沉积厚度分别为30nm/20nm/50nm的ti/pt/au材料，在沉积金属之前需要用2％的hf溶液去除inp表面的氧化层；激光器之间的隔离，需要将每两个激光器之间的inp和ingaasp刻蚀干净，防止器件工作时相互串扰；芯片平坦化，在表面沉积2μm的sio2绝缘材料；p型电极沉积，将波导正上方的sio2和sinx掩模去除掉，然后使用磁控溅射沉积厚度分别为50nm/100nm的ti/au；sio2开孔，将n型电极上方的sio2刻蚀干净；金属电极沉积，同时在p型电极和n型电极上沉积厚度为2μm的au用于测试时放置探针。

相对于现有技术中难以实现高精度光栅的激光器阵列的问题，本申请实施例2提供的激光器阵列制作方法，通过利用重构-等效啁啾技术制备无源芯片中的波导光栅，并通过芯片键合技术对无源芯片和外延片进行键合，得到了波长精确的激光器阵列。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。