垂直腔面发射激光器及制作方法、耦合装置及制作方法与流程

本发明涉及激光器技术领域，具体为一种垂直腔面发射激光器及制作方法、耦合装置及制作方法。

背景技术：

随着硅基光子集成技术的迅猛发展，集成光子器件尺寸越来越小，集成度越来越高，在光通信、光网络等领域中都展示了传统电子集成技术所不具备的优势。其中，绝缘体上的硅（soi）具有高折射率差，使得其具有器件损耗低、能高度集成化的优势。但是，硅是间接带隙半导体材料，实现硅基光源仍然面临巨大挑战。因此，如何方便高效地将光耦合进这些集成器件成为了一个非常重要的研究课题。常见的半导体激光器模斑半径通常为几个微米，而soi的截面尺寸为几百纳米，如此巨大的模场差异使得两者之间的直接耦合效率十分低。

为了提高两者之间的耦合效率，目前常用的两种耦合方案是端面耦合与表面耦合。端面耦合通常利用倒锥形模斑转换器，将小尺寸波导的模斑逐渐扩大为与光纤模场相匹配的模斑，从而实现高效率的耦合。但是其制作对光刻的精度要求非常高，而且只能够工作在波导芯片的边缘，不能够实现面上的测试。表面耦合最典型的就是光栅耦合，其主要利用光栅将光以衍射的形式耦合到光波导中。作为一种面耦合器，其无需对样片的端面进行抛光等特殊处理，允许从样片表面的任意位置注入或者导出光信号，极大的增强了光路设计的灵活性，同时也为面上测试提供了可能。但是，为了避免二阶布拉格反射对耦合效率的影响，光栅耦合通常需要光束以一定的倾角（通常8-10°）入射，这极大的增加的器件封装与对准的难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及制作方法、耦合装置及制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1，于第一衬底上制作中间层；

s2，再在所述中间层上制作第二衬底；

s3，再于所述第二衬底上设置非晶硅超表面结构，所述非晶硅超表面结构用于对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射；

s4，待所述非晶硅超表面结构制作完成后，采用包层覆盖所述非晶硅超表面结构；

所述非晶硅超表面结构由多个微纳结构单元周期性排布构成；

所述微纳结构单元的数量有n个，各所述微纳结构单元的参数的选定方法为：

s30，在选定周期下，将各所述微纳结构单元按该周期进行排布，并对每一所述微纳结构单元的高度进行参数扫描；

s31，接着对每一所述微纳结构单元进行参数扫描，得到高透过率且相位响应以递增，具体相位响应为-π，-π+，........，-π+，对应的结构参数

其中x为微纳结构单元的长，y为微纳结构单元的宽。

进一步，每一所述微纳结构单元的形状均为方柱形，且每一所述微纳结构单元的高度h均为160nm。

进一步，所述微纳结构单元的数量有八个。

进一步，八个所述微纳结构单元参数为：

。

进一步，对所述s31步骤的非晶硅超表面结构进行优化：

先以当前的结构为初始结构，选定第一个微纳结构单元，在选定范围内以选定的步长对其结构参数进行扫描，当器件整体性能改善时，保留对应参数，否则恢复为原有参数；随后，以相同的方式对剩余的微纳结构单元依次进行优化，循环往复，直至器件性能没有明显改善。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种垂直腔面发射激光器，包括第一衬底以及于所述第一衬底上制作的中间层，还包括第二衬底以及用于对光束的相位进行调控以实现光束的倾斜出射的非晶硅超表面结构，所述第二衬底制作在所述中间层上，所述非晶硅超表面结构设置在所述第二衬底上，采用包层覆盖所述非晶硅超表面结构，于所述第二衬底上设置非晶硅超表面结构，所述非晶硅超表面结构用于对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射，所述非晶硅超表面结构由多个微纳结构单元周期性排布构成，所述微纳结构单元的数量有n个，各所述微纳结构单元的参数的选定方法为：

在选定周期下，将各所述微纳结构单元按该周期进行排布，并对每一所述微纳结构单元的高度进行参数扫描；

接着对每一所述微纳结构单元进行参数扫描，得到高透过率且相位响应以递增，具体相位响应为-π，-π+，........，-π+，对应的结构参数

其中x为微纳结构单元的长，y为微纳结构单元的宽。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种耦合装置，包括耦合光栅，还包括上述的垂直腔面发射激光器的制作方法制作出的垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器具有非晶硅超表面结构的一侧正对所述耦合光栅，且所述垂直腔面发射激光器通过连接层与所述耦合光栅连接。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种耦合装置的制作方法，包括如下步骤：

sa，采用cmos工艺在soi平台刻蚀完成耦合光栅；

sb，在所述耦合光栅上设置连接层；

sc，将权利要求1-6任一所述的垂直腔面发射激光器的制作方法制作出的垂直腔面发射激光器通过所述连接层倒装封装在所述耦合光栅上。

进一步，在所述sc步骤中，封装的具体步骤为：

sc1，通过旋涂、烘焙以及光刻形成su8光刻胶凸台；

sc2，通过电子束曝光和电子束蒸发形成金属电极；

sc3，在所述sc2步骤的基础上对芯片连接点表面进行凸点底部金属化处理，并采用焊料转移在金属化处理后的表面上形成焊接凸点；

sc4，通过热压焊接将集成有非晶硅超表面结构的所述垂直腔面发射激光器芯片与soi基片互连起来；

sc5，对芯片进行底部填充固化及元件塑封，以完成倒装芯片的封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过集成在垂直腔面发射激光器上的非晶硅超表面结构对光束的相位进行调控，满足耦合光栅最佳耦合角度的要求，实现光束的倾斜出射，进而可以实现出射光束与耦合光栅的高效垂直耦合，从根本上解决了传统耦合光栅器件封装与对准技术难题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种耦合装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的非晶硅超表面结构的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的非晶硅超表面结构的其中一列微纳结构单元的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的非晶硅超表面结构实现光束偏转的电场分布图；

附图标记中：1-耦合光栅；2-连接层；3-垂直腔面发射激光器；4-gaas衬底；5-第一布拉格反射镜；6-第二布拉格反射镜；7-量子阱有源区；8-n面电极；9-p面环形电极；10-二氧化硅钝化层；11-非晶硅超表面结构；12-聚二甲硅氧烷。

具体实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：s1，于第一衬底上制作中间层；s2，再在所述中间层上制作第二衬底；s3，再于所述第二衬底上设置非晶硅超表面结构11，所述非晶硅超表面结构11用于对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射；s4，待所述非晶硅超表面结构11制作完成后，采用包层覆盖所述非晶硅超表面结构11。在本实施例中，通过集成在垂直腔面发射激光器3上的非晶硅超表面结构11对光束的相位进行调控，满足耦合光栅1最佳耦合角度的要求，实现光束的倾斜出射，进而可以实现出射光束与耦合光栅1的高效垂直耦合，从根本上解决了传统耦合光栅1器件封装与对准技术难题。具体地，第一衬底优选为gaas衬底4，于其上制作的中间层，中间层包括于所述gaas衬底4上依次制作的第一布拉格反射镜5、量子阱有源区7以及第二布拉格反射镜6，所述第二衬底制作在所述第二布拉格反射镜6上。第二衬底优选为二氧化硅钝化层10，非晶硅超表面结构11制作在该二氧化硅钝化层10上，然后再通过包层覆盖，该包层优选为聚二甲硅氧烷12。然后配上制作在gaas衬底4背离第一布拉格反射镜5的一侧的n面电极8，以及制作于第二布拉格反射镜6背离量子阱有源区7一侧的p面环形电极9，即获得垂直腔面发射激光器3，其中布拉格反射镜由gaas、algaas组成。该垂直腔面发射激光器3集成有非晶硅超表面结构11，可以对光束的相位进行调控，进而实现光束的倾斜出射。在耦合装置中，垂直腔面发射激光器3发出垂直表面的高斯光束，再通过超表面结构对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射，出射角与耦合光栅1最佳耦合角度相等为10°，垂直腔面激光器通过连接层2倒装封装于耦合光栅1上后，实现激光器和耦合光栅1垂直耦合，解决了传统耦合光栅1面临的封装、对准难题。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图4和图5，所述非晶硅超表面结构11由多个微纳结构单元周期性排布构成，其周期，各所述微纳结构单元的参数的选定方法为：s30，在选定周期下，将各所述微纳结构单元按该周期进行排布，并对每一所述微纳结构单元的高度进行参数扫描，实现电偶极子共振与磁偶极子共振重合，确保不同的结构单元能够实现的相位响应；s31，接着对每一所述微纳结构单元进行参数扫描，得到高透过率且相位响应以递增，具体相位响应为-π，-π+，........，-π+，对应的结构参数具体当微结构单元为八个时，相位相应为：，对应的结构参数，，，，将八个微纳结构单元周期性排布即可构成超表面。每一所述微纳结构单元的形状均为方柱形，且每一所述微纳结构单元的高度h均为160nm。在本实施例中，如图4所示，非晶硅超表面结构11由八个微纳结构单元周期性排布构成，单个周期的结构图如图5所示，通过调控微纳结构单元的结构尺寸以及排布方式，可以有效地控制激光器光束的出射角度，满足耦合光栅1最佳入射角度的要求，实现高效耦合。上述非晶硅超表面由8个微纳结构单元周期性排布构成，且微纳结构单元均为方柱，周期高度，从左到右结构参数分别为,,,。vcsel出射的光束能够激发上述微纳结构单元的电偶极子共振与磁偶极子共振，不同的微纳结构单元能够产生不同的相位响应。由广义snell定律：

当界面处存在一定相位梯度时，垂直入射的光也能以一定倾角出射，出射角与相位梯度相关。为实现光束以10°倾角出射，周期选定为，从左到右8个微纳结构单元相位响应分别为。优选的，八个所述微纳结构单元参数为：

。

作为本发明实施例的优化方案，对所述s31步骤的非晶硅超表面结构11进行优化：先以当前的结构（即s31步骤中的超表面）为初始结构，选定第一个微纳结构单元，在选定范围内（160nm~360nm）以选定的步长（10nm）对其结构参数进行扫描，当器件整体性能改善时，保留对应参数，否则恢复为原有参数；随后，以相同的方式对剩余的微纳结构单元依次进行优化，循环往复，直至器件性能没有明显改善。在本实施例中，超表面进行全局优化，主要解决微纳结构单元之间互耦合效应引起的器件性能劣化问题，采用的算法为直接搜索算法。在本实施例中，对应于实施例的超表面，电场分布如图6所示，偏转角度θ为10°，与耦合光栅1最佳入射角度相同。

请查阅图1至图6，本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器3，包括第一衬底以及于所述第一衬底上制作的中间层，还包括第二衬底以及用于对光束的相位进行调控以实现光束的倾斜出射的非晶硅超表面结构11，所述第二衬底制作在所述中间层上，所述非晶硅超表面结构11设置在所述第二衬底上，采用包层覆盖所述非晶硅超表面结构11。在本实施例中，通过集成在垂直腔面发射激光器3上的非晶硅超表面结构11对光束的相位进行调控，满足耦合光栅1最佳耦合角度的要求，实现光束的倾斜出射，进而可以实现出射光束与耦合光栅1的高效垂直耦合，从根本上解决了传统耦合光栅1器件封装与对准技术难题。具体地，第一衬底优选为gaas衬底4，于其上制作的中间层，中间层包括于所述gaas衬底4上依次制作的第一布拉格反射镜5、量子阱有源区7以及第二布拉格反射镜6，所述第二衬底制作在所述第二布拉格反射镜6上。第二衬底优选为二氧化硅钝化层10，非晶硅超表面结构11制作在该二氧化硅钝化层10上，然后再通过包层覆盖，该包层优选为聚二甲硅氧烷12。然后配上制作在gaas衬底4背离第一布拉格反射镜5的一侧的n面电极8，以及制作于第二布拉格反射镜6背离量子阱有源区7一侧的p面环形电极9，即获得垂直腔面发射激光器3，其中布拉格反射镜由gaas、algaas组成。该垂直腔面发射激光器3集成有非晶硅超表面结构11，可以对光束的相位进行调控，进而实现光束的倾斜出射。其中非晶硅超表面结构11采用的是上述结构形式，其表面结构由多个微纳结构单元周期性排布构成，且各微结构单元的参数采用的是上述的选定方法，具体是在选定周期下，将各微纳结构单元按该周期进行排布，并对每一微纳结构单元的高度进行参数扫描；接着对每一微纳结构单元进行参数扫描，得到高透过率且相位响应以递增，具体相位响应为-π，-π+，........，-π+，对应的结构参数其中x为微纳结构单元的长，y为微纳结构单元的宽，当然在优选方案中，n为8，即采用八个微结构单元进行周期排布。在耦合装置中，垂直腔面发射激光器3发出垂直表面的高斯光束，再通过超表面结构对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射，出射角与耦合光栅1最佳耦合角度相等为10°，垂直腔面激光器通过连接层2倒装封装于耦合光栅1上后，实现激光器和耦合光栅1垂直耦合，解决了传统耦合光栅1面临的封装、对准难题。

请查阅图1至图6，本发明实施例提供一种耦合装置，包括耦合光栅1以及上述的垂直腔面发射激光器3的制作方法制作出的垂直腔面发射激光器3，所述垂直腔面发射激光器3具有非晶硅超表面结构11的一侧正对所述耦合光栅1，且所述垂直腔面发射激光器3通过连接层2与所述耦合光栅1连接。在本实施例中，通过集成在垂直腔面发射激光器3上的非晶硅超表面结构11对光束的相位进行调控，满足耦合光栅1最佳耦合角度的要求，实现光束的倾斜出射，进而可以实现出射光束与耦合光栅1的高效垂直耦合，从根本上解决了传统耦合光栅1器件封装与对准技术难题。具体地，第一衬底优选为gaas衬底4，于其上制作的中间层，中间层包括于所述gaas衬底4上依次制作的第一布拉格反射镜5、量子阱有源区7以及第二布拉格反射镜6，所述第二衬底制作在所述第二布拉格反射镜6上。第二衬底优选为二氧化硅钝化层10，非晶硅超表面结构11制作在该二氧化硅钝化层10上，然后再通过包层覆盖，该包层优选为聚二甲硅氧烷12。然后配上制作在gaas衬底4背离第一布拉格反射镜5的一侧的n面电极8，以及制作于第二布拉格反射镜6背离量子阱有源区7一侧的p面环形电极9，即获得垂直腔面发射激光器3，其中布拉格反射镜由gaas、algaas组成。该垂直腔面发射激光器3集成有非晶硅超表面结构11，可以对光束的相位进行调控，进而实现光束的倾斜出射。在耦合装置中，垂直腔面发射激光器3发出垂直表面的高斯光束，再通过超表面结构对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射，出射角与耦合光栅1最佳耦合角度相等为10°，垂直腔面激光器通过连接层2倒装封装于耦合光栅1上后，实现激光器和耦合光栅1垂直耦合，解决了传统耦合光栅1面临的封装、对准难题。

请查阅图1至图6，本发明实施例提供一种耦合装置的制作方法，包括如下步骤：sa，采用cmos工艺在soi平台刻蚀完成耦合光栅1；sb，在所述耦合光栅1上设置连接层2；sc，将上述的垂直腔面发射激光器3的制作方法制作出的垂直腔面发射激光器3通过所述连接层2倒装封装在所述耦合光栅1上。在本实施例中，通过标准cmos工艺在标准soi平台刻蚀完成耦合光栅1，并将集成了非晶硅超表面结构11的垂直腔面发射激光器3通过连接层2倒装封装于耦合光栅1上，垂直腔面发射激光器3发出垂直表面的高斯光束，再通过超表面结构对光束的相位进行调控，实现光束的倾斜出射，出射角与耦合光栅1最佳耦合角度相等为10°，实现激光器与耦合光栅1的垂直耦合，解决传统耦合光栅1面临的封装、对准难题。

优选的，封装的具体步骤为：sc1，通过旋涂、烘焙以及光刻形成su8光刻胶凸台；sc2，通过电子束曝光和电子束蒸发形成金属电极；sc3，在所述sc2步骤的基础上对芯片连接点表面进行凸点底部金属化处理，并采用焊料转移在金属化处理后的表面上形成焊接凸点；sc4，通过热压焊接将集成有非晶硅超表面结构11的所述垂直腔面发射激光器3芯片与soi基片互连起来；sc5，对芯片进行底部填充固化及元件塑封，以完成倒装芯片的封装。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。