一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的制作方法

本发明属于半导体激光器技术领域，特别是涉及一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器。

背景技术：

硅光子技术的核心是“以光代电”传输数据，能够将光源、调制器、波导、探测器等有源及无源器件集成在同一硅基衬底上，具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异等优势，在光通信、数据中心、国防、智能汽车与无人机等领域具有重要应用。但硅是间接带隙材料，缺少高性能的光源严重制约了硅光子技术的发展。

目前，从制造工艺上实现硅基单片集成激光器的技术有硅基拉曼激光器、硅基外延激光器和硅基混合集成激光器三类。硅基拉曼激光器已实现了连续激光输出，但光致发光和转换效率低使其难以集成应用；硅基外延激光器外延生长工艺难、泵浦结构复杂使其近阶段难以实用化；硅基混合集成激光器是一种利用键合技术实现半导体增益芯片与硅基光子平台混合集成的新型激光器，它不仅吸收了iii-v族半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长和可靠性高的优点，而且综合了硅波导折射率差大并与时下cmos工艺兼容的优势，是目前硅基单片集成激光器的最优选择。这种硅基混合集成激光器按结构可分为基于微环滤波器的硅基混合集成激光器和基于波导光栅滤波器的硅基混合集成激光器。其中，基于微环滤波器的硅基混合集成激光器，通过微环的自由光谱区调谐，能实现较宽的波长调谐范围，比如40nm-65nm，然而由于微环滤波器影响的纵模增益差(即边模抑制比)与光谱线宽存着一种取舍关系，纵模增益差只与微环滤波器的谐振峰有关，当腔长增加时，纵模间距会变小，纵模增益差减小，很容易产生多模震荡，一般微环自由光谱区选取要远大于纵模自由光谱区，使得线宽压缩在100khz左右，在不牺牲边模抑制比指标的前提下很难低于10khz。基于光栅结构的硅基激光器，通过光栅的优化设计容易实现小于10khz的窄线宽，光栅滤波器波长调谐范围很小，即使一些特殊结构也很难超过10nm。综上可见，基于微环滤波器和基于波导光栅滤波器的硅基混合集成激光器，一个是调谐范围大，但是线宽不够窄，另一个是线宽可以做到足够窄，但是调谐范围不够宽，也就是说都无法兼具线宽窄和调谐范围宽的优点。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且输出的激光具有高边模抑制比。

本发明提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，包括平面光波导和半导体光放大器，所述平面光波导包括从下至上依次设置的衬底层、下包层、波导芯层、上包层和电极层，其中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述无机波导芯层区域为硅波导芯层区域、氮化硅波导芯层区域、氮氧化硅波导芯层区域或掺杂氧化硅波导芯层区域，且所述无机波导芯层区域上面的上包层为二氧化硅上包层、su-8上包层或苯并环丁烯上包层。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述有机波导芯层区域为苯并环丁烯波导芯层区域、su-8波导芯层区域或noa波导芯层区域，且所述有机波导芯层区域上面的上包层为pmma上包层或二氧化硅上包层。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述无机波导芯层区域为单模矩形波导或单模脊形波导，所述有机波导芯层区域为单模矩形波导或单模脊形波导。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述环形反射器为圆环形反射器、椭圆环形反射器或跑道圆环形反射器。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述半导体光放大器为inp基外延光放大器、gaas基外延光放大器或gan基外延光放大器。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述热光开关阵列为1×4阵列，且可通过所述加热电极选通所述1×4阵列的4个输出端口中的任意一个，所述4个输出端口分别与4个所述波导光栅滤波器相连接。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述1×4阵列包括1×4mmi热光开关，通过所述加热电极选通所述4个输出端口中的任意一个。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述1×4阵列由3个相同的2×2光开关单元级联而成，所述2×2光开关单元为2×2全内反射热光开关、2×2dc-mzi热光开关或2×2mmi-mzi热光开关，通过所述加热电极选通所述2×2光开关单元中的任意一个进行组合实现选通所述4个输出端口中的任意一个。

优选的，在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述衬底层为硅基衬底层，所述下包层为二氧化硅下包层。

通过上述描述可知，本发明提供的上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器中，所述波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，所述无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，所述直波导芯层上键合有所述半导体光放大器，所述有机波导芯层区域包括与所述平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与所述无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器的另一端为所述激光器的输出端口，所述环形反射器、所述平行信道单微环滤波器、所述热光开关阵列和所述波导光栅滤波器的上部均设置有位于所述电极层内的加热电极，采用有机无机混合波导实现的光开关阵列和波导光栅滤波器是激光器的前反射镜，即等效减反面，该“前反射镜”可通过光开关阵列上不同的电极工作组合选通任意一个波导光栅滤波器，由于多个波导光栅滤波器有相同的反射率，可将一部分光输出，另一部分光反射回集成光回路中，每个光栅滤波器的中心波长不同，从上到下依次增加或减小，相邻中心波长间隔相等，每个光栅滤波器上都有加热电极，使得光栅滤波器中心波长调谐范围大于等于相邻端口中心波长间距，可见其利用热光开关和波导光栅阵列实现了大范围可调谐窄带滤波，而且能够对激光器纵模进行二次选频，因此进一步压缩了线宽，从而该激光器既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且利用了中间的平行信道单微环滤波器做一次选频，因此输出的激光具有高边模抑制比。

附图说明

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的整体示意图；

图2为本申请提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的波导芯层内的各部件的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器，既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且输出的激光具有高边模抑制比。

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。

本申请提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的实施例如图1和图2所示，图1为本申请提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的整体示意图，图2为本申请提供的一种基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的波导芯层内的各部件的示意图，该基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器包括平面光波导1和半导体光放大器2，平面光波导1包括从下至上依次设置的衬底层11、下包层12、波导芯层13、上包层14和电极层15，该衬底层11作为光源的基底，可以但不限于为硅基衬底，该下包层12可以但不限于采用二氧化硅材质，该上包层14可以但不限于采用二氧化硅材质，只要满足波导芯层折射率大于上包层和下包层折射率即可，该电极层15中包括多个电极，设置在有加热需求的波导器件上面，用于对波导器件进行加热，其中，波导芯层分为无机波导芯层区域131和有机波导芯层区域132，其中，无机波导区域131(用虚线表示，因为在内部，从外面看不到)包括依次连接的环形反射器1311、第一双锥形模式转换器1312、直波导芯层1313、第二双锥形模式转换器1314和平行信道单微环滤波器1315，具体的，该平行信道单微环滤波器1315的上信道与该第二双锥形模式转换器1314连接，而该平行信道单微环滤波器1315的下信道与无机有机锥形模式转换器1321连接，其自由光谱区需要远大于纵模自由光谱区，以实现对边纵模的抑制，其微环结构上有电极加热器，可以对平行信道单微环滤波器1315的自由光谱区进行调节，而且，该直波导芯层1313上键合有半导体光放大器2，需要说明的是，上述环形反射器1311通过第一双锥形模式转换器1312与半导体光放大器2的一端进行垂直耦合，而该半导体光放大器2的另一端同样通过垂直耦合与上述第二双锥形模式转换器1314相连，然后与平行信道单微环滤波器1315的上信道连接，这里的第一双锥形模式转换器1312和第二双锥形模式转换器1314能够实现半导体光放大器2和无机波导之间的模式转换。上述有机波导芯层区域132包括与平行信道单微环滤波器1315连接的无机有机锥形模式转换器1321以及与无机有机锥形模式转换器1321的另一端依次连接的热光开关阵列1322和波导光栅滤波器1323，波导光栅滤波器1323的另一端为激光器的输出端口1324，环形反射器1311、平行信道单微环滤波器1315、热光开关阵列1322和波导光栅滤波器1323的上部均设置有位于电极层15内的加热电极(如图2中用实线标出来的都是加热电极)，其中，该无机有机锥形模式转换器1321的结构是在锥形有机波导中嵌入锥形结构，该锥形结构材料与有机波导芯层区域132的材料相同，通过这种在波导中嵌入波导的方法实现无机波导和有机无机混合波导之间的模式转换，而且上述环形反射器1311上面的加热电极能够调节反射波长范围。

通过上述描述可知，本申请提供的上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的实施例中，波导芯层分为无机波导芯层区域和有机波导芯层区域，其中，无机波导区域包括依次连接的环形反射器、第一双锥形模式转换器、直波导芯层、第二双锥形模式转换器和平行信道单微环滤波器，直波导芯层上键合有半导体光放大器，有机波导芯层区域包括与平行信道单微环滤波器连接的无机有机锥形模式转换器以及与无机有机锥形模式转换器的另一端依次连接的热光开关阵列和波导光栅滤波器，波导光栅滤波器的另一端为激光器的输出端口，环形反射器、平行信道单微环滤波器、热光开关阵列和波导光栅滤波器的上部均设置有位于电极层内的加热电极，可见这里采用有机无机混合波导实现的光开关阵列和波导光栅滤波器是激光器的前反射镜，即等效减反面，该前反射镜可通过光开关阵列上不同的电极工作组合选通任意一个波导光栅滤波器，由于多个波导光栅滤波器有相同的反射率，可将一部分光输出，另一部分光反射回集成光回路中，每个光栅滤波器的中心波长不同，从上到下依次增加或减小，相邻中心波长间隔相等，每个光栅滤波器上都有加热电极，使得光栅滤波器中心波长调谐范围大于等于相邻端口中心波长间距，可见其利用热光开关和波导光栅阵列实现了大范围可调谐窄带滤波，而且能够对激光器纵模进行二次选频，因此进一步压缩了线宽，从而该激光器既具有窄线宽的优点，又具有调谐范围宽的优点，而且利用了中间的平行信道单微环滤波器做一次选频，因此输出的激光具有高边模抑制比。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的一个具体实施例中，继续参考图1，无机波导芯层区域131优选为硅波导芯层区域、氮化硅波导芯层区域、氮氧化硅波导芯层区域或掺杂氧化硅波导芯层区域，且无机波导芯层区域131上面的上包层141优选为二氧化硅上包层、su-8上包层或苯并环丁烯上包层，可见这里选择的芯层材料为容易获取的高折射率低损耗材料，能够减少波导芯层传输损耗及弯曲损耗，而选择的上包层材料都是无机直波导和半导体光放大器键合时需要的同种材料，以避免产生应力，以二氧化硅上包层为例，二氧化硅可以作为无机直波导和半导体光放大器之间分子键合的材料，而su-8或苯并环丁烯都可以作为胶黏键合材料，一般小于100nm，在采用这些材料的情况下，都能够保证芯层折射率大于上包层折射率。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的另一个具体实施例中，继续参考图1，有机波导芯层区域132优选为苯并环丁烯波导芯层区域、su-8波导芯层区域或noa波导芯层区域，且有机波导芯层区域132上面的上包层142优选为pmma上包层或二氧化硅上包层，选用这些有机物聚合物材料，比无机材料有更大的热光系数，利于制备热光型器件，且制备工艺相对来说更加简单，而且能够保证芯层折射率大于下包层折射率。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的又一个具体实施例中，无机波导芯层区域优选为单模矩形波导或单模脊形波导，有机波导芯层区域优选为单模矩形波导或单模脊形波导，这样能够保证激光器为单横模输出，与多模波导相比，这样光束质量更好，光束质量更加接近衍射极限。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的一个优选实施例中，环形反射器为圆环形反射器、椭圆环形反射器或跑道圆环形反射器，其中这里的跑道圆环形反射器的形状是两端为两个半圆环加中间的直道，这样都能够更好的形成等波长间隔反射，其中波长间隔就是自由光谱区。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的另一个优选实施例中，半导体光放大器为inp基外延光放大器、gaas基外延光放大器或gan基外延光放大器，这三种材料是常用的半导体外延材料，涵盖不同的波长范围，从可见光到红外波段，与硅基外延激光器相比，相对于作为间接带隙材料的硅材料，这三种半导体材料是直接带隙材料，因此更利于制备激光器增益介质，而且，该半导体光放大器可以在中间呈条形，两端是锥形，置于两个双锥形模式转换器之间直波导的正上方，通过键合工艺连接在一起，半导体光放大器的衬底片上必须生长有刻蚀阻挡层。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的又一个优选实施例中，热光开关阵列为1×4阵列，且可通过加热电极选通1×4阵列的4个输出端口中的任意一个，4个输出端口分别与4个波导光栅滤波器相连接，当然这仅仅是其中一个优选实施例，该热光开关阵列除了可以是1×4阵列之外，还可以是1×2阵列至1×10阵列中的任意一个，此处并不构成限制。

作为另一种优选实施例，上述1×4阵列还可以包括1×4mmi热光开关，通过加热电极选通4个输出端口中的任意一个。或者，1×4阵列由3个相同的2×2光开关单元级联而成(如图2所示的那样)，2×2光开关单元为2×2全内反射热光开关、2×2dc-mzi热光开关或2×2mmi-mzi热光开关，通过加热电极选通2×2光开关单元中的任意一个进行组合，实现选通4个输出端口中的任意一个。当然这仅是优选实施例，还可以采用其他任何可以实现同样目的的组合方式，此处并不限制。相应的，上述波导光栅滤波器1323的数量可以有n个，与上述1×n光开关阵列的n个输出端相连接，n个波导光栅滤波器1323有相同的反射率，将一部分光输出，另一部分光反射回集成光回路中，每个波导光栅滤波器1323的中心波长不同，从上到下依次增加或减小，相邻中心的波长间隔相等，每个波导光栅滤波器1323上都有加热电极，使得波导光栅滤波器1323的中心波长调谐范围大于等于相邻端口中心波长间距。

在上述基于有机无机混合波导的可调谐窄线宽激光器的各个实施例中，衬底层可以优选为硅基衬底层，下包层可以优选为二氧化硅下包层。

下面对上述激光器的制作步骤举出一个例子：

第一步，在硅基衬底上沉积二氧化硅作为无机波导区域和有机波导区域的下包层，再沉积无机光波导芯层材料，如果采用soi(soi是绝缘衬底上的硅)，其基本结构是二氧化硅衬底，上面有一定厚度的硅，用其做波导已经含有二氧化硅下包层和硅芯层，所以可以省略该步骤；

第二步，利用光刻、刻蚀工艺制备无机波导芯层，同时将有机波导区域的二氧化硅以上的材料去除干净；

第三步，利用旋涂、光刻、刻蚀工艺在有机无机波导区域制备光栅结构，同时将无机波导区域的无机材料去除干净；

第四步，利用旋涂、光刻、刻蚀工艺在有机无机波导区域的光栅结构上制备有机无机混合波导芯层，同时将无机波导部分的无机材料去除干净，完成硅基单片集成波导芯层制备；

第五步，利用mocvd(金属有机化合物化学气相沉积)或mbe(分子束外延)生长iii-v族半导体外延片，其与普通外延片最大的区别是在衬底层上生长一层刻蚀阻挡层，该层结构非常重要，用于半导体光放大器的减薄抛光工艺；

第六步，将外延芯片的p面向下，与上面制备好的硅基单片集成波导两个双锥形模式转换器之间的直波导波分别进行对准键合，键合工艺由专门的键合设备完成，可以采用分子键合或聚合物键合的方式，形成硅基单片集成芯片；

第七步，除外延芯片之外，将硅基单片集成芯片无机波导和有机无机波导分别制作上包层，并去除外延芯片上的上包层材料；

第八步，采用物理化学减薄工艺去除刻蚀阻挡层以上的外延片衬底层；

第九步，采用光刻、刻蚀、化学气相沉积、磁控溅射等工艺在外延片上制备半导体光放大器图形和电极图形，该电极图形可以与无机波导和有机无机波导上的电极同步制备，完成基于有机无机混合波导的硅基可调谐窄线宽激光器的工艺制备。

上述基于有机无机混合波导的硅基可调谐窄线宽激光器实现了无机波导器件、无机有机混合波导器件和iii-v族器件的单片集成，综合了无机、有机和iii-v族三类材料各自的优势，如无机材料热导率大、波导折射率差大，有机材料热光系数大，iii-v族材料是直接带隙材料。该集成激光器的增益介质为iii-v族半导体光放大器，采用键合工艺实现与硅基波导单片集成，并通过两个双锥形模式转换器与激光器前后反射镜面连接。采用环形反射器作为激光器的后反射镜，即等效高反射面，中间的平行信道单微环滤波器的作用是做一次选频，抑制边纵模，采用有机无机混合波导实现的1×n光开关阵列和n个波导光栅滤波器是激光器的前反射镜，即等效减反面，该“前反射镜”可通过1×n光开关阵列上不同的电极工作组合选通任意一个波导光栅滤波器，由于n个波导光栅滤波器有相同的反射率，可将一部分光输出，另一部分光反射回集成光回路中，每个光栅滤波器的中心波长不同，从上到下依次增加或减小，相邻中心波长间隔相等，每个光栅滤波器上都有加热电极，使得光栅滤波器中心波长调谐范围大于等于相邻端口中心波长间距，利用光开关和波导光栅阵列实现大范围可调谐窄带滤波，对激光器纵模进行二次选频，进一步压缩线宽，实现宽调谐窄线宽激光输出。

综上所述，上述实施例通过同时采用平行信道单微环滤波器和光栅滤波器与纵模自由光谱区进行二次游标选频，比基于微环滤波器的硅基混合集成激光器线宽压缩一个数量级，边模抑制比也更高，采用光开关阵列与等间距中心波长波导光栅滤波器阵列，利用它们聚合物芯层热光系数大的优势，可实现比基于波导光栅滤波器的硅基混合集成激光器更大的波长调谐范围，而且通过采用平面光波导技术、键合技术和半导体激光器技术，在硅基平台上实现了无机波导器件、有机无机混合波导器件和半导体有源器件的单片集成，可实现大范围可调谐窄线宽且高边模抑制比的激光输出，具有成本低、工艺简单、可批量生长的优点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。