一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件及其制备与应用

1.本发明属于光子集成与光波导技术领域。更具体地，涉及一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件及其制备与应用。


背景技术：

2.铌酸锂(ln)晶体具有宽的透射窗口(0.35～5μm)、高的非线性系数(30pm/v)、高的折射率(～2.2)和大的电光系数(30.8
×
1012m/v)，是光子集成器件衬底材料的重要候选者，被誉为“光子学中的硅”。然而长期以来，对于铌酸锂衬底的光子结构一直非常难以制备，这主要是由于铌酸锂晶体具有稳定的物理与化学特性，无法像类似半导体光刻技术那样对其进行精密刻蚀，且铌酸锂晶体属于间接带隙材料，要实现电泵浦发光很困难。因此一般通过在铌酸锂薄膜(lnoi)上掺杂稀土离子的方式实现光致发光。然而传统的掺杂稀土lnoi激光器都是基于微盘腔开展的，微盘腔主要通过锥形光纤耦合的方式进行泵浦和信号的提取，这存在耦合的不确定性、后期与其他功能器件无法集成到同一片上的局限性。此外，通过光纤或者光芯片与lnoi基光波导的光互连，也会存在耦合困难、耦合效率低下、工艺复杂等难题(乔玲玲，超低损耗铌酸锂光子学[j]，光学学报，2021,8,169-194)。


技术实现要素：

[0003]
本发明要解决的技术问题是克服现有稀土掺杂的lnoi激光器耦合效率低的缺陷和不足，提供一种耦合效率高的激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件。
[0004]
本发明的目的是提供一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备方法。
[0005]
本发明的另一目的是提供一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件在作为芯片中的应用。
[0006]
一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件，其特征在于，由p型衬底、边发射激光器、lnoi光波导激光器、p面电极和n面电极组成，其中，p型衬底上方从左到右依次溅射p面电极、键合边发射激光器和lnoi光波导激光器，n面电极溅射在边发射激光器表面；
[0007]
所述lnoi光波导激光器从上到下依次为光刻胶、铌酸锂衬底和sio2层，在铌酸锂衬底内注入一层离子注入损伤层，条形波导结构图案通过光刻胶刻蚀在铌酸锂衬底表面，所述条形波导结构图案中含有铌酸锂波导，后向光栅和前向光栅透过条形波导结构图案两端刻蚀在铌酸锂衬底内，在铌酸锂衬底中注入稀土离子使稀土离子分散在铌酸锂衬底中，并在左侧设有端面；
[0008]
所述边发射激光器在右侧设有出光口，出光口对着lnoi光波导激光器中的端面，使边发射激光器出射的激光泵浦稀土离子能级跃迁发出的光子在前后光栅内发射。
[0009]
优选地，所述条形波导结构图案从左到右依次为铌酸锂波导输入端，第二锥形过渡波导，铌酸锂波导，第一锥形过渡波导，铌酸锂波导输出端；其中后向光栅刻蚀在第一锥形过渡波导左侧，前向光栅刻蚀在第二锥形过渡波导右侧。
[0010]
更优选地，所述铌酸锂波导和铌酸锂波导输入端的长度l2为≥20μm，宽度w为
200nm～1000nm，第一锥形过渡波导和第二锥形过渡波导的长度l1为≥20μm，宽度m为0.5μm～100μm。
[0011]
优选地，所述边发射激光器从上到下依次溅射n面电极，沉积n型衬底、n型缓冲层、n型限制层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型限制层和p型接触层。
[0012]
优选地，所述稀土离子为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇离子。
[0013]
优选地，所述p型衬底和n型衬底中的衬底为砷化镓衬底、硅衬底、蓝宝石衬底、金刚石衬底、氮化镓衬底、碳化硅衬底或磷化铟衬底等。
[0014]
优选地，所述光栅为布拉格光栅。
[0015]
更优选地，所述sio2层的厚度为0.5～10μm。
[0016]
优选地，所述铌酸锂衬底的厚度为0.1～10μm。
[0017]
本发明进一步保护上述集成器件的制备方法，包括如下步骤：
[0018]
s1.采用等离子体化学气相沉积法或者磁控溅射法在铌酸锂衬底上沉积一层sio2层，利用离子注入法在sio2层向铌酸锂衬底内注入氦离子形成离子注入损伤层；
[0019]
s2.采用化学机械抛光工艺对sio2层表面进行抛光，使sio2表面粗糙度降低至1nm以下后键合至p型砷化镓衬底上得晶圆键合对，键合过程为：先采用等离子体对p型衬底和sio2层表面进行轰击活化，然后将p型衬底键合至键合到sio2层上得晶圆键合对；
[0020]
s3.将晶圆键合对退火，使离子注入损伤层上方的铌酸锂衬底剥离，剥离完毕后，对铌酸锂衬底进行抛光，抛光后，向铌酸锂衬底中注入稀土离子；
[0021]
s4.对抛光后的铌酸锂衬底上涂覆一层光刻胶，然后在光刻胶表面进行曝光，将条形波导结构图案通过光刻转移到光刻胶上，再通过电子束光刻技术结合电感耦合等离子体刻蚀机将条形波导结构图形刻蚀到铌酸锂衬底上；
[0022]
s5.采用飞秒激光透过条形波导结构图案，在铌酸锂衬底内刻蚀后向光栅和前向光栅得lnoi光波导激光器；
[0023]
s6.采用金属有机物化学气相沉积法依次在n型衬底上外延生长n型缓冲层、n型限制层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型限制层以及p型接触层，外延生长完毕后，对p型接触层进行抛光，使得p型接触层的表面粗糙度降低至1nm以下，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得边发射激光器；
[0024]
s7.将边发射激光器键合到p型衬底上，所述边发射激光器的出光口对准lnoi光波导激光器的端面；在p型衬底上溅射p面电极，n型衬底上溅射n面电极即得。
[0025]
优选地，在步骤s1中，所述sio2层的厚度为0.5～10μm。
[0026]
优选地，在步骤s1中，所述注入的剂量为1
×
10
15
cm-2
～1
×
10
19
cm-2
。
[0027]
优选地，在步骤s1中，所述，注入的能量为100～700kev
[0028]
优选地，在步骤s1中，所述沉积的气压为1200～1600mtorr，功率为4000～6000w，沉积的温度为300～500℃。
[0029]
优选地，在步骤s2中，所述等离子体为ar等离子体、o等离子体或n等离子体。
[0030]
优选地，在步骤s2中，所述采用等离子体轰击的气压为0.5
×
10-5
～1
×
10-5
pa。
[0031]
优选地，在步骤s2中，所述键合的键合力为8～12kn。
[0032]
优选地，在步骤s2中，所述键合的时间为0.8～0.5min。
[0033]
优选地，在步骤s3中，所述稀土离子为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇离子。
[0034]
优选地，在步骤s3中，所述退火的时间为1～10小时。
[0035]
优选地，在步骤s3中，所述退火的温度为100～600℃。
[0036]
优选地，在步骤s3中，所述退火的升温速率为2～10℃/min。
[0037]
优选地，在步骤s3中，所述退火在惰性气体下进行。
[0038]
优选地，在步骤s3中，所述惰性气体为氮气。
[0039]
更优选地，所述惰性气体的流速为0.1～10l/h。
[0040]
优选地，在步骤s3中，所述注入稀土离子的方法为离子注入技术或热扩散技术。
[0041]
优选地，在步骤s3中，所述注入能量为10～1000kev。
[0042]
更优选地，所述稀土离子的注入剂量为1
×
10
11
cm-2
～1
×
10
18
cm-2
。
[0043]
优选地，在步骤s4中，所述铬层的厚度大于200nm。
[0044]
优选地，在步骤s4中，所述光刻的方法为电子束光刻、紫外曝光技术或光刻显影技术。
[0045]
优选地，在步骤s4中，所述光刻胶为正性光刻胶。
[0046]
优选地，在步骤s4中，所述光刻时，在铌酸锂衬底上放置一层掩膜版，光刻完成后进行显影、坚膜，最终形成脊型波导。
[0047]
优选地，在步骤s5中，所述后向光栅和前向光栅中光栅的对数和间距依据光学耦合模理论确认，后向光栅作为激光输出端，前向光栅作为全反射镜，反射率的大小可以通过控制光栅的长度来调节。
[0048]
优选地，在步骤s6中，所述n型缓冲层为n型砷化镓缓冲层或n型氮化镓缓冲层。
[0049]
更优选地，所述n型缓冲层的厚度为1～3μm，掺杂浓度为0.5
×
10
18
～1
×
10
18
/cm2。
[0050]
优选地，在步骤s6中，所述n型限制层为n型al
x
ga
1-x
as限制层或n型al
x
ga
1-x
n限制层，x取值范围为0＜x＜1。
[0051]
更优选地，所述n型限制层的厚度为500～650nm，掺杂浓度为4
×
10
17
～6
×
10
17
/cm2。
[0052]
优选地，在步骤s6中，所述n型波导层为n型al
x
ga
1-x
as波导层或n型in
x
ga
1-x
as波导层，x取值范围为0＜x＜1。
[0053]
更优选地，所述n型波导层的厚度为200～400nm，掺杂浓度为4
×
10
16
～6
×
10
16
/cm2。
[0054]
优选地，在步骤s6中，所述量子阱有源区为in
x
ga
1-x
n。
[0055]
更优选地，所述量子阱有源区的厚度为5～10nm。
[0056]
优选地，在步骤s6中，所述p型波导层为p型al
x
ga
1-x
as波导层或p型in
x
ga
1-x
as波导层，x取值范围为0＜x＜1。
[0057]
更优选地，所述p型波导层的厚度为200～400nm，掺杂浓度为4
×
10
16
～6
×
10
16
/cm2。
[0058]
优选地，在步骤s6中，所述p型限制层为p型al
x
ga
1-x
as限制层或p型al
x
ga
1-x
as限制层，x取值范围为0＜x＜1。
[0059]
更优选地，所述p型限制层的厚度为500～700nm，掺杂浓度为4
×
10
17
～6
×
10
17
/
cm2。
[0060]
优选地，在步骤s6中，所述p型接触层为p型gaas接触层或p型ingan接触层。
[0061]
更优选地，所述p型接触层的厚度为40～60nm，掺杂浓度为1
×
10
18
～6
×
10
18
/cm2。
[0062]
优选地，在步骤s6中，所述高反膜的材料为ta2o5、si或hfo2，增透膜的材料为cef3、mgf2、al2o3或zro2材料。
[0063]
本发明进一步保护上述光子集成器件在作为芯片中的应用。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0065]
本发明具有以下有益效果：
[0066]
本发明制备得到的光子集成器件中的边发射激光器泵浦lnoi光波导激光器中的铌酸锂波导能自发振荡激光输出，在铌酸锂波导两端刻蚀光栅形成谐振腔，能诱导光学波导内的稀土离子实现能级跃迁，输出对应波长的激光，从而达到耦合效率高的优点，且制备工艺简单，适合大规模生产。
附图说明
[0067]
图1为本发明实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的结构示意图。
[0068]
图2为本发明实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件中砷化镓基边发射激光器22的正视放大图。
[0069]
图3为本发明实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件中lnoi光波导激光器21的右视放大图。
[0070]
图4为本发明实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件中lnoi光波导激光器21的正视放大图。
[0071]
图5为本发明实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件中lnoi光波导激光器21的俯视放大图。
[0072]
其中，1-铌酸锂衬底、2-sio2层、3-离子注入损伤层、4-p型砷化镓衬底、4
’‑
n型砷化镓衬底、5-铌酸锂波导输出端、6-第一锥形过渡波导、7-铌酸锂波导、8-第二锥形过渡波导、9-铌酸锂波导输入端、10-后向光栅、11-前向光栅、12-n型砷化镓缓冲层、13-n型al
0.20
ga
0.80
as限制层、14-n型al
0.50
ga
0.50
as波导层、15-量子阱有源区、16-p型al
0.8
ga
0.2
as波导层、17-p型al
0.8
ga
0.2
as限制层、18-p型gaas接触层、19-n面电极、20-p面电极、21-lnoi光波导、22-砷化镓基边发射激光器、23-砷化镓基边发射激光器22的出光口、24-lnoi光波导激光器21的端面、25-波导结构图案。
[0073]
图6为实施例1所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率结果图。
[0074]
图7为实施例2所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率结果图。
[0075]
图8为实施例3所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率结果图。
[0076]
图9为实施例4所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率结果图。
具体实施方式
[0077]
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0078]
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0079]
光学耦合模理论如下：
[0080]
在铌酸锂光波导中刻蚀光栅，主要是基于光纤光栅的原理。光纤光栅中有效折射率的周期性扰动允许纤芯模耦合到前向或者后向传输的模式中，这取决于光栅周期。其可以通过射线光学法理解，光栅认为是一个周期为λ的典型衍射光栅。以θ1角入射的光波将会以θ2角衍射出光栅，光栅方程描述为：
[0081]
nsinθ2＝nsinθ1+mλ/λ
[0082]
其中，m为光栅衍射阶数。当入射和衍射光对应于光纤边界模时，由传播常数β＝2πn
eff
sinθ/λ可得模式耦合的相位匹配条件：
[0083]
β2＝β1+2π/λ
[0084]
该方程允许预测在波长为λ处传输常数为β1和β2的两个模式耦合的周期。
[0085]
对于布拉格光栅：耦合发生在两个前向和后向传输模式之间，即入射光与衍射光反向(β2＝-β1)，其谐振波长表示为：
[0086]
mλ＝(n
eff1
+n
eff2
)λ
[0087]
在布拉格光栅中前向和反向传输的纤芯模耦合是主要的，即其布拉格谐振条件：
[0088][0089]
实施例1砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备
[0090]
s1：提供一片铌酸锂衬底1，在铌酸锂衬底1上沉积一层sio2层2，厚度为2μm，采用的工艺为等离子体化学气相沉积(pecvd)，气压为1500mtorr，功率为5000w，沉积的温度为400℃；
[0091]
s2：sio2层2沉积完毕后，利用离子注入工艺通过sio2层2向铌酸锂衬底1内注入氦离子，注入的能量为300kev，注入的剂量为3
×
10
16
cm-2
，形成一层注入损伤层3，注入完毕后，利用化学机械抛光工艺(cmp)工艺对sio2层2表面进行抛光，使得sio2层2表面粗糙度降低至1nm以下；
[0092]
s3：提供一片p型砷化镓衬底4，将步骤s2中抛光过的sio2层2键合至p型砷化镓衬底4上，键合过程中，腔室内的气压降低至1
×
10-5
pa，采用ar等离子体对p型砷化镓衬底4和sio2层2表面进行轰击活化，活化完毕后，将其移至键合腔室内，将p型砷化镓衬底4和sio2层2键合在一起得晶圆键合对，施加的键合力为10kn，键合时间为1min；
[0093]
s4：键合完毕后，将晶圆键合对移至退火炉中进行退火，缓慢升高退火炉内温度，温升速率为2℃/min，将退火温度升高至300℃，退火时间为5h，在退火过程中，向炉内通入氮气，氮气的流速为5l/h，待离子注入损伤层3上方的铌酸锂衬底1发生剥离，可以停止加热，待冷却至室温后，取出样品；
[0094]
s5：对剥离留下的铌酸锂衬底1薄膜进行抛光，抛光完毕后，对铌酸锂衬底1薄膜注入稀土离子，注入的离子为铥离子(tm
3+
)，注入能量为200kev，离子的注入剂量为5
×
10
15
cm
‑2，注入完毕后，从离子注入腔室内取出，以留备用；
[0095]
s6：对铌酸锂衬底1薄膜进行光学波导的制备，首先，在裸露的p型砷化镓衬底4表面涂一层光刻胶进行保护，然后在光刻胶的表面进行曝光，利用电子束光刻技术将条形波导结构图案25通过光刻转移到光刻胶上，光刻时，在铌酸锂衬底上放置一层掩膜版，光刻完成后进行显影、坚膜，最终形成脊型波导(图3)，光刻胶可以采用正性光刻胶az5214，再通过电子束光刻(ebl)技术结合电感耦合等离子体刻蚀机(icp-rie)将条形波导结构图案25刻蚀到铌酸锂衬底1薄膜上，为了实现与砷化镓基边发射激光器22高效率的耦合，波导的结构设置为从右到左依次为铌酸锂波导输出端5，第一锥形过渡波导6，铌酸锂波导7，第二锥形过渡波导8，铌酸锂波导输入端9，第一锥形过渡波导6和第二锥形过渡波导8的长度为20μm，宽度为2μm，可以提高光源的耦合效率，此外，铌酸锂波导7的长度为25μm，宽度为400nm；
[0096]
s7：利用飞秒激光透过条形波导结构图案25向铌酸锂衬底1内进行光栅刻蚀得lnoi光波导激光器21(图3～图5)，光栅的对数和间距依据光学耦合模理论确定，刻蚀对数为200的前向光栅11，增大前向光栅11的反射率，刻蚀对数为15对的后向的光栅10，减小后向光栅10的反射率，进而形成谐振腔的前后腔面，后向光栅10作为激光输出端，前向光栅11作为全反射镜，反射率的大小可以通过控制光栅的长度来调节；
[0097]
s8：提供一片n型砷化镓衬底4’，利用金属有机物化学气相沉积法(mocvd)依次在n型砷化镓衬底4’上依次外延生长2μm厚的n型砷化镓缓冲层12(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)、600nm厚的n型al
0.20
ga
0.80
as限制层13(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)、300nm厚的n型al
0.50
ga
0.50
as波导层14(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、7nm厚的量子阱有源区15为in
0.19
ga
0.81
as、300nm厚的p型al
0.8
ga
0.2
as波导层16(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、600nm厚的p型al
0.8
ga
0.2
as限制层17(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)以及50nm厚的p型gaas接触层18(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)。外延生长完毕后，对顶层p型gaas接触层18进行cmp抛光，使得p型gaas接触层18的表面粗糙度降低至1nm以下，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得砷化镓基边发射激光器22(图2)，高反膜的材料为ta2o5，增透膜的材料可以为cef3；
[0098]
s9：p型gaas接触层18抛光完毕后，将lnoi光波导激光器21键合到p型砷化镓衬底4上，将砷化镓基边发射激光器22的出光口23对lnoi光波导激光器21的端面24；
[0099]
s10：在p型砷化镓衬底4上方、砷化镓基边发射激光器22左侧溅射p面电极20，在砷化镓基边发射激光器22最上面的n型砷化镓衬底4’表面上溅射n面电极19即得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件(图1)。
[0100]
实施例2砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备
[0101]
s1：提供一片铌酸锂衬底1，在铌酸锂衬底1上沉积一层sio2层2，厚度为2μm，采用的工艺为等离子体化学气相沉积(pecvd)，气压为1500mtorr，功率为5000w，沉积的温度为400℃；
[0102]
s2：sio2层2沉积完毕后，利用离子注入工艺通过sio2层2向铌酸锂衬底1内注入氦离子，注入的能量为300kev，注入的剂量为3
×
10
16
cm-2
，形成一层注入损伤层3，注入完毕后，利用化学机械抛光工艺(cmp)工艺对sio2层2表面进行抛光，使得sio2层2表面粗糙度降低至1nm以下；
[0103]
s3：提供一片n型砷化镓衬底4’，利用金属有机物化学气相沉积法(mocvd)依次在n型砷化镓衬底4’上依次外延生长1.5μm厚的n型砷化镓缓冲层12(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)、
700nm厚的n型al
0.20
ga
0.80
as限制层13(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)、300nm厚的n型al
0.50
ga
0.50
as波导层14(掺杂浓度为6
×
10
16
/cm2)、7nm厚的量子阱有源区15为in
0.19
ga
0.81
as、300nm厚的p型al
0.8
ga
0.2
as波导层16(掺杂浓度为6
×
10
16
/cm2)、600nm厚的p型al
0.8
ga
0.2
as限制层17(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)以及50nm厚的p型gaas接触层18(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)砷化镓基边发射激光器22。
[0104]
s4：在外延生长完毕后的n型砷化镓衬底4’部分区域涂上正性光刻胶，未涂光刻胶的区域进行刻蚀，刻蚀的深度为5μm，利用cmp工艺对刻蚀的区域进行抛光，使得表面粗糙度降低至0.5nm，将步骤s2抛光完毕的sio2层2键合至刻蚀区域处，键合过程中，腔室内的气压降低至1
×
10-5
pa，采用ar等离子体对砷化镓和sio2表面进行轰击活化，活化完毕后，将其移至键合腔室内，将n型砷化镓衬底4’和sio2层2键合在一起得晶圆键合对，施加的键合力为10kn，键合时间为1min，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得lnoi光波导激光器21，高反膜的材料为ta2o5，增透膜的材料可以为cef3；
[0105]
s5：键合完毕后，将晶圆键合对移至退火炉中进行退火，缓慢升高退火炉内温度，温升速率为2℃/min，将退火温度升高至300℃，退火时间为5h，在退火过程中，向炉内通入氮气，氮气的流速为5l/h，待顶部铌酸锂衬底1发生剥离，可以停止加热，待冷却至室温后，取出样品；
[0106]
s6：对剥离留下的铌酸锂衬底1薄膜进行抛光，抛光完毕后，对铌酸锂衬底1薄膜注入稀土离子，注入的离子为铥离子(tm
3+
)，注入能量为200kev，离子的注入剂量为5
×
10
15
cm-2
，注入完毕后，从离子注入腔室内取出，以留备用；
[0107]
s7：对顶部铌酸锂衬底1薄膜进行光学波导的制备，首先，裸露的n型砷化镓衬底4’表面可以涂一层光刻胶进行保护，然后在光刻胶的表面进行曝光，利用电子束光刻技术将条形波导结构图案25通过光刻转移到光刻胶上，光刻时，在铌酸锂衬底上放置一层掩膜版，光刻完成后进行显影、坚膜，最终形成脊型波导，光刻胶可以采用正性光刻胶az5214，再通过电子束光刻(ebl)技术结合电感耦合等离子体刻蚀机(icp-rie)将条形波导结构图案25刻蚀到铌酸锂衬底1薄膜上，为了实现与砷化镓基边发射激光器22高效率的耦合，波导的结构设置为从右到左依次为铌酸锂波导输出端5，第一锥形过渡波导6，铌酸锂波导7，第二锥形过渡波导8，铌酸锂波导输入端9，第一锥形过渡波导6和第二锥形过渡波导8的长度为50μm，宽度为2μm，可以提高光源的耦合效率，此外，铌酸锂波导7的长度为25μm，宽度为500nm；
[0108]
s8：利用飞秒激光对通过条形波导结构图案25向铌酸锂衬底1内进行光栅刻蚀得lnoi光波导激光器21，光栅的对数和间距依据光学耦合模理论确定，刻蚀对数为250的前向光栅11，增大前向光栅11的反射率，刻蚀对数为10对的后向的光栅10，减小后向光栅10的反射率，进而形成谐振腔的前后腔面，后向光栅10作为激光输出端，前向光栅11作为全反射镜，反射率的大小可以通过控制光栅的长度来调节；
[0109]
s9：对步骤s4中的p型gaas接触层18进行抛光，抛光完毕后，将lnoi光波导激光器21键合到p型砷化镓衬底4上，将砷化镓基边发射激光器22的出光口23对lnoi光波导激光器21的端面24；
[0110]
s10：在p型砷化镓衬底4上方、砷化镓基边发射激光器22左侧溅射p面电极20，在砷化镓基边发射激光器22最上面的n型砷化镓衬底4’表面上溅射n面电极19即得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件。
[0111]
实施例3砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备
[0112]
s1：提供一片铌酸锂衬底1，在所述铌酸锂衬底1上沉积一层sio2层2，厚度为2μm，采用的工艺为等离子体化学气相沉积(pecvd)，气压为1500mtorr，功率为5000w，沉积的温度为400℃；
[0113]
s2：sio2层2沉积完毕后，利用离子注入工艺通过sio2层2向铌酸锂衬底1内注入氦离子，注入的能量为300kev，注入的剂量为3
×
10
16
cm-2
，形成一层注入损伤层3，注入完毕后，利用化学机械抛光工艺(cmp)工艺对sio2层2表面进行抛光，使得sio2层2表面粗糙度降低至1nm以下；
[0114]
s3：提供一片p型砷化镓衬底4，将步骤s2中抛光过的sio2层2键合至p型砷化镓衬底4上，键合过程中，腔室内的气压降低至1
×
10-5
pa，采用ar等离子体对p型砷化镓衬底4和sio2层2表面进行轰击活化，活化完毕后，将其移至键合腔室内，将p型砷化镓衬底4和sio2层2键合在一起得晶圆键合对，施加的键合力为10kn，键合时间为1min；
[0115]
s4：键合完毕后，将晶圆键合对移至退火炉中进行退火，缓慢升高退火炉内温度，温升速率为2℃/min，将退火温度升高至300℃，退火时间为5h，在退火过程中，向炉内通入氮气，氮气的流速为5l/h，待离子注入损伤层3上方的铌酸锂衬底1发生剥离，可以停止加热，待冷却至室温后，取出样品；
[0116]
s5：对剥离留下的铌酸锂衬底1薄膜进行抛光，抛光完毕后，对铌酸锂衬底1薄膜注入稀土离子，注入的离子铒离子(er
3+
)，注入能量为220kev，离子的注入剂量为5
×
10
16
cm-2
，注入完毕后，从离子注入腔室内取出，以留备用；
[0117]
s6：对顶部铌酸锂衬底1薄膜进行光学波导的制备，首先，在裸露的p型砷化镓衬底4表面涂一层光刻胶进行保护，然后在光刻胶的表面进行曝光，利用电子束光刻技术将条形波导结构图案25通过光刻转移到光刻胶上，光刻时，在铌酸锂衬底上放置一层掩膜版，光刻完成后进行显影、坚膜，最终形成脊型波导，光刻胶可以采用正性光刻胶az5214，再通过电子束光刻(ebl)技术结合电感耦合等离子体刻蚀机(icp-rie)将条形波导结构图案25刻蚀到铌酸锂衬底1薄膜上，为了实现与砷化镓基边发射激光器22高效率的耦合，波导的结构设置为从右到左依次为铌酸锂波导输出端5，第一锥形过渡波导6，铌酸锂波导7，第二锥形过渡波导8，铌酸锂波导输入端9，第一锥形过渡波导6和第二锥形过渡波导8的长度为20μm，宽度为2μm，可以提高光源的耦合效率，此外，铌酸锂波导7的长度为25μm，宽度为400nm；
[0118]
s7：利用飞秒激光透过条形波导结构图案25向铌酸锂衬底1内进行光栅刻蚀得lnoi光波导激光器21，光栅的对数和间距依据光学耦合模理论确定，刻蚀对数为300的前向光栅11，增大前向光栅11的反射率，刻蚀对数为15对的后向的光栅10，减小后向光栅10的反射率，进而形成谐振腔的前后腔面，后向光栅10作为激光输出端，前向光栅11作为全反射镜，反射率的大小可以通过控制光栅的长度来调节；
[0119]
s8：提供一片n型砷化镓衬底4’，利用金属有机物化学气相沉积法(mocvd)依次在n型砷化镓衬底4’上依次外延生长2μm厚的n型砷化镓缓冲层12(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)、600nm厚的n型al
0.20
ga
0.80
as限制层13(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)、300nm厚的n型al
0.50
ga
0.50
as波导层14(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、7nm厚的量子阱有源区15为in
0.19
ga
0.81
as、300nm厚的p型al
0.7
ga
0.3
as波导层16(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、600nm厚的p型al
0.7
ga
0.3
as限制层17(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)以及50nm厚的p型gaas接触层18(掺杂浓度
为1
×
10
18
/cm2)。外延生长完毕后，对顶层p型gaas接触层18进行cmp抛光，使得p型gaas接触层18的表面粗糙度降低至1nm以下，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得砷化镓基边发射激光器22，高反膜的材料为ta2o5，增透膜的材料可以为cef3；
[0120]
s9：p型gaas接触层18抛光完毕后，将lnoi光波导激光器21键合到p型砷化镓衬底4上，将砷化镓基边发射激光器22的出光口23对lnoi光波导激光器21的端面24；
[0121]
s10：在p型砷化镓衬底4上方、砷化镓基边发射激光器22左侧溅射p面电极20，在砷化镓基边发射激光器22最上面的n型砷化镓衬底4’表面上溅射n面电极19即得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件。
[0122]
实施例4氮化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备
[0123]
s1：提供一片铌酸锂衬底1，在所述铌酸锂衬底1上沉积一层sio2层2，厚度为2μm，采用的工艺为等离子体化学气相沉积(pecvd)，气压为1500mtorr，功率为5000w，沉积的温度为400℃；
[0124]
s2：sio2层2沉积完毕后，利用离子注入工艺通过sio2层2向铌酸锂衬底1内注入氦离子，注入的能量为300kev，注入的剂量为3
×
10
16
cm-2
，形成一层注入损伤层3，注入完毕后，利用化学机械抛光工艺(cmp)工艺对sio2层2表面进行抛光，使得sio2层2表面粗糙度降低至1nm以下；
[0125]
步骤3：提供一片p型砷化镓衬底4，将步骤s2中抛光过的sio2层2键合至p型砷化镓衬底4上，键合过程中，腔室内的气压降低至1
×
10-5
pa，采用ar等离子体对p型砷化镓衬底4和sio2层2表面进行轰击活化，活化完毕后，将其移至键合腔室内，将p型砷化镓衬底4和sio2层2键合在一起得晶圆键合对，施加的键合力为10kn，键合时间为1min；
[0126]
s4：键合完毕后，将晶圆键合对移至退火炉中进行退火，缓慢升高退火炉内温度，温升速率为2℃/min，将退火温度升高至300℃，退火时间为5h，在退火过程中，向炉内通入氮气，氮气的流速为5l/h，待离子注入损伤层3上方的铌酸锂衬底1发生剥离，可以停止加热，待冷却至室温后，取出样品；
[0127]
s5：对剥离留下的铌酸锂衬底1薄膜进行抛光，抛光完毕后，对铌酸锂衬底1薄膜注入稀土离子，注入的离子为铒离子(er
3+
)，注入能量为220kev，离子的注入剂量为5
×
10
16
cm-2
，注入完毕后，从离子注入腔室内取出，以留备用；
[0128]
s6：对铌酸锂衬底1薄膜进行光学波导的制备，首先，裸露的p型砷化镓衬底4表面可以涂一层光刻胶进行保护，然后在光刻胶的表面进行曝光，利用电子束光刻技术将条形波导结构图案25通过光刻转移到光刻胶上，光刻时，在铌酸锂衬底上放置一层掩膜版，光刻完成后进行显影、坚膜，最终形成脊型波导，光刻胶可以采用正性光刻胶az5214，再通过电子束光刻(ebl)技术结合电感耦合等离子体刻蚀机(icp-rie)将条形波导结构图案25刻蚀到铌酸锂衬底1薄膜上，为了实现与砷化镓基边发射激光器22高效率的耦合，波导的结构设置为从右到左依次为铌酸锂波导输出端5，第一锥形过渡波导6，铌酸锂波导7，第二锥形过渡波导8，铌酸锂波导输入端9，第一锥形过渡波导6和第二锥形过渡波导8的长度为20μm，宽度为2μm，可以提高光源的耦合效率，此外，铌酸锂波导7的长度为25μm，宽度为400nm；
[0129]
s7：利用飞秒激光透过条形波导结构图案25向铌酸锂衬底1内进行光栅刻蚀得lnoi光波导激光器21，光栅的对数和间距依据光学耦合模理论确定，刻蚀对数为300的前向光栅11，增大前向光栅11的反射率，刻蚀对数为15对的后向的光栅10，减小后向光栅10的反
射率，进而形成谐振腔的前后腔面，后向光栅10作为激光输出端，前向光栅11作为全反射镜，反射率的大小可以通过控制光栅的长度来调节；
[0130]
s8：提供一片n型氮化镓衬底4’，利用金属有机物化学气相沉积法(mocvd)依次在n型氮化镓衬底4’上依次外延生长2μm厚的n型氮化镓缓冲层12(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)、600nm厚的n型al
0.20
ga
0.80
n限制层13(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)、300nm厚的n型in
0.50
ga
0.50
as波导层14(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、7nm厚的量子阱有源区15为in
0.19
ga
0.81
as、300nm厚的p型in
0.02
ga
0.98
as波导层16(掺杂浓度为5
×
10
16
/cm2)、600nm厚的p型al
0.07
ga
0.93
as限制层17(掺杂浓度为5
×
10
17
/cm2)以及50nm厚的p型ingan接触层18(掺杂浓度为1
×
10
18
/cm2)。外延生长完毕后，对顶层p型ingan接触层18进行cmp抛光，使得p型ingan接触层18的表面粗糙度降低至1nm以下，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得砷化镓基边发射激光器22，高反膜的材料为ta2o5，增透膜的材料可以为cef3；
[0131]
s9：p型inga接触层18抛光完毕后，将lnoi光波导激光器21键合到p型砷化镓衬底4上，将砷化镓基边发射激光器22的出光口23对lnoi光波导激光器21的端面24；
[0132]
s10：在p型砷化镓衬底4上方、砷化镓基边发射激光器22左侧溅射p面电极20，在砷化镓基边发射激光器22最上面的n型砷化镓衬底4’表面上溅射n面电极19即得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件。
[0133]
实验例1：实施例1～4所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件耦合效率测试
[0134]
采用功率计对实施例1～4所得砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件中的砷化镓基边发射激光器22的输出功率进行检测，然后在测出从lnoi光波导激光器21中的输出功率，通过将lnoi光波导激光器21的输出功率比上砷化镓基边发射激光器的输出功率，就可以得到器件的转化效率。
[0135]
从图6～图9中可以看出实施例1中砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率为38％(图6)，实施例2中砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率为41％(图7)，实施例3中砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率为44％(图8)，实施例4中砷化镓激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的转化效率为46％(图9)，集成器件的转化效率越高，耦合效率越好，证明本技术实施例制备得到的集成器件耦合效率高。
[0136]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。