一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法。本方法為：1）利用納米壓印技術(shù)在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形；2）利用刻蝕技術(shù)在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列；3）選取或制備一多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列；4）以多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，將多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)光增益區(qū)與SOI片上的硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)光耦合區(qū)對準(zhǔn)、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。本發(fā)明具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規(guī)模生產(chǎn)，并且能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出波長等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅基光電子器件領(lǐng)域中硅基混合激光器及其制備方法，特別是涉及一種利用納米壓印技術(shù)制備多波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著娃光子學(xué)的日趨成熟，在娃光互連與光電集成技術(shù)中，關(guān)鍵問題就是娃基光源，而硅基電泵激光則是硅基光源研究的終極目標(biāo)，也是目前硅光子學(xué)中最重要的研究課題之一。
[0003]近些年來，人們在硅基光源的研究方面取得了一系列的進(jìn)展，例如硅上外延II1-V族半導(dǎo)體材料、硅與半導(dǎo)體納米線形成發(fā)光異質(zhì)結(jié)、受激拉曼激光等等。但是，這些方法尚無法實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的硅基電泵激光。最近，人們提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)電泵硅基激光的方法，即鍵合方法。這種方法是將目前已經(jīng)發(fā)展成熟的半導(dǎo)體激光器鍵合在硅波導(dǎo)上，將激光器中的光耦合到硅波導(dǎo)中，從而實(shí)現(xiàn)了硅基電泵激光。
[0004]目前所實(shí)現(xiàn)的電泵鍵合硅基混合激光器主要是單波長輸出的，多波長輸出的工藝非常復(fù)雜。然而，在光互連或光通信中，多波長激光器陣列有著十分重要的應(yīng)用，例如它可以作為系統(tǒng)中波分復(fù)用器(WDM)的多通道光源。與固定單波長的激光器相比，多波長激光器陣列或波長可調(diào)諧的激光器能對光通信系統(tǒng)進(jìn)行靈活多變的結(jié)構(gòu)重新配置，使互連網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更高效等優(yōu)點(diǎn)。目前，在光互連中，多波長混合激光器陣列是通過在芯片上封裝幾個(gè)不同波長的單模激光器或單個(gè)多波長激光器陣列。單模激光器或多波長激光器陣列的光柵通常做在上分別限制(SCH)層之上，這樣刻完光柵后還需要進(jìn)行再次外延，工藝復(fù)雜，周期長，成本高。而且對于單模激光器，還需要進(jìn)行多次封裝。因此上述方法存在著工藝復(fù)雜、成本高、周期長，加工面積小，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可以實(shí)現(xiàn)多波長電泵鍵合娃基混合激光器陣列的制備方法。該方法利用納米壓印技術(shù)在SOI (Silicon OnInsulator，絕緣襯底上的硅)片的硅層上壓印出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形，然后再利用刻蝕技術(shù)在SOI片的硅層上制備上述圖形，最后將相應(yīng)的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列鍵合在圖形化的SOI片上。這種將調(diào)制光柵做到硅波導(dǎo)上的方法，解決了在多量子阱光增益結(jié)構(gòu)上做光柵的工藝復(fù)雜問題，并且只需要一次鍵合，具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規(guī)模生產(chǎn)，并且能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該混合激光器的輸出波長等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的特色在于:利用納米壓印技術(shù)在SOI片的硅層上壓印出具有多波長取樣分布布拉格反射式(DBR)或分布反饋式(DFB)光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形；然后利用刻蝕技術(shù)在SOI片硅層上制備具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列，即該硅波導(dǎo)陣列具有多波長光柵結(jié)構(gòu)，通過硅波導(dǎo)上不同參數(shù)的光柵可調(diào)制其出射波長；制備相應(yīng)的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與SOI片上硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)相對應(yīng)(比如是四波長的，SOI片就有四個(gè)硅波導(dǎo)，并且每個(gè)硅波導(dǎo)上都有相應(yīng)波長的光柵，而上層多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列應(yīng)包含四個(gè)相同的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)，每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)中的光以倏逝波的方式耦合到其正下方硅波導(dǎo)中，并經(jīng)過該娃波導(dǎo)上相應(yīng)波長的光柵進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)多波長的娃基混合激光器陣列；取樣DBR光柵在硅波導(dǎo)光耦合區(qū)的兩側(cè)，取樣DFB光柵在硅波導(dǎo)光耦合區(qū)的下方；硅波導(dǎo)兩側(cè)區(qū)域是鍵合區(qū))；采用選區(qū)金屬鍵合的方法將多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列和具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的SOI硅波導(dǎo)陣列進(jìn)行鍵合，即可完成多波長硅基混合激光器陣列的制備。多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的光以倏逝波的方式耦合到硅波導(dǎo)陣列中，并經(jīng)過硅波導(dǎo)上相應(yīng)的光柵進(jìn)行調(diào)制，通過改變光柵的參數(shù)(深度，周期，占空比等)，可實(shí)現(xiàn)多波長的電泵鍵合硅基混合激光器陣列。
[0007]本發(fā)明的最終結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，這是一個(gè)八波長的電泵鍵合硅基混合激光器陣列。自下而上依次為圖形化的S0I，鍵合金屬層和多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列。在本結(jié)構(gòu)中，可采取選區(qū)金屬鍵合方法。在制備圖形化的SOI結(jié)構(gòu)時(shí)，首先利用納米壓印技術(shù)在SOI片上壓印出具有多波長取樣DBR光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形，然后利用刻蝕技術(shù)在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列。最后在硅波導(dǎo)兩側(cè)，蒸發(fā)金屬層，作為鍵合區(qū)。鍵合金屬采用Cr/AuSn多層結(jié)構(gòu)，Cr的作用是提高AuSn合金與SOI的黏附性。在本結(jié)構(gòu)中，我們所選擇的多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為在P型InP襯底上外延的InP基掩埋脊波導(dǎo)光增益結(jié)構(gòu)陣列，并且該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與SOI結(jié)構(gòu)硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)相對應(yīng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0009]一種多波長硅基混合激光器陣列的制備方法，其步驟包括:
[0010]I)設(shè)計(jì)、制作具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形的納米壓印硬模板，然后利用納米壓印技術(shù)制備與所述硬模板圖案互補(bǔ)的軟模板；
[0011]2)利用I)所述軟模板在旋涂了納米壓印膠的SOI片的硅層上壓印出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形，脫模，得到具有上述圖形的SOI片；
[0012]3)利用刻蝕技術(shù)在SOI片硅層上制備具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列；
[0013]4)在3)所述SOI片上，除硅波導(dǎo)及其附近較小的區(qū)域外，在其它區(qū)域沉積金屬層作為鍵合區(qū)；
[0014]5)制備多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列，該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與3)所述SOI片上的硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)相對應(yīng)；
[0015]6)以5)所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，利用鍵合機(jī)或貼片機(jī)等設(shè)備將所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)光增益區(qū)與4)所述SOI片上的硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)光耦合區(qū)對準(zhǔn)，鍵合，就制備出了多波長硅基混合激光器陣列。
[0016]所述多波長光柵可為多波長取樣DBR光柵或多波長取樣DFB光柵。
[0017]所述納米壓印技術(shù)可采用紫外壓印或熱壓印方式。
[0018]所述納米壓印膠可為紫外壓印膠或熱壓印膠。
[0019]所述刻蝕技術(shù)可為耦合等離子(ICP)刻蝕技術(shù)或反應(yīng)離子束(RIE)刻蝕技術(shù)。[0020]所述硅波導(dǎo)的寬度范圍為I~5 μ m，高度范圍為200nm~2 μ m。
[0021]所述金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
[0022]所述粘附金屬層可為Cr、Ni或Ti，其厚度范圍為5~20nm。
[0023]所述鍵合金屬層可為AuSn、InSn、InAu、PbIn或In,其厚度范圍為180nm~2 μ m。
[0024]所述鍵合區(qū)位于SOI片上硅波導(dǎo)兩側(cè)4μπι以外，鍵合區(qū)的寬度范圍可為30~200 μ m。
[0025]所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)都具有上下分別限制(SCH)層和多量子阱(MQW)層，并且具有側(cè)向限制作用的條形結(jié)構(gòu)。
[0026]所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列可為InP基或GaAs基。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0028]本發(fā)明所提供的多波長硅基混合激光器陣列可以作為有效的硅基光源應(yīng)用于單片硅基光電集成、光互聯(lián)和光通信等眾多領(lǐng)域，并且可以用于集成化生產(chǎn)。與現(xiàn)有的多波長混合激光器陣列制備方法相比，該方法解決了在上層光增益結(jié)構(gòu)上制作光柵的工藝復(fù)雜問題，并且只需要一次鍵合，具有工藝簡單，成本低，周期短，能大面積、大規(guī)模生產(chǎn)，并且能夠在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)該混合激光器的輸出波長等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的多波長硅基混合激光器陣列的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖1 (a)為器件正視圖，圖1 (b)為器件側(cè)視圖；
[0031]圖2 (a)~(k)為本發(fā)明八波長電泵鍵合硅基混合激光器陣列實(shí)施例的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合圖2，以多波長取樣DBR光柵和InP基多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0033]1.設(shè)計(jì)并計(jì)算取樣DBR光柵的參數(shù)。圖2 (a)為所設(shè)計(jì)的取樣DBR光柵結(jié)構(gòu)的原
理圖，其中，光柵占空比！、取樣周期的占空比^，均定為50%，刻蝕深度h定為15nm。用軟
ΛLs
件計(jì)算可得整個(gè)周期的有效折射率\ff=3.2411。根據(jù)公式可計(jì)算出均勻光柵的周期:
, 元' 1580 n in
[0034]/I = T—^ ~rrriTT ^ 244 Bin
Zf|g f f 31^411
[0035]相應(yīng)的布拉格波長λ 0=1580nmo選擇-1級波長為激射波長，則取樣周期可由以下公式求出:
τ Λ2
[0036]Ls=-~
2"eff( \ _Ai)
[0037]由以上條件可得出所設(shè)計(jì)的取樣DBR光柵的參數(shù)為:
[0038]均勻光柵參數(shù):A =244nm, d=122nm,其它參數(shù)如表1所示:
[0039]表1為光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)表
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種納米壓印制備多波長硅基混合激光器陣列的方法，其步驟為: 1)利用納米壓印技術(shù)在SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形； 2)利用刻蝕技術(shù)在所述SOI片的硅層上制備出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列； 3)選取或制備一多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列；其中，該多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)與所述SOI片上的每一硅波導(dǎo)相對應(yīng)； 4)以所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中最接近光增益區(qū)的面為鍵合面，將所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)光增益區(qū)與所述SOI片上的硅波導(dǎo)陣列中的每個(gè)硅波導(dǎo)光耦合區(qū)對準(zhǔn)、鍵合，得到多波長硅基混合激光器陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟I)的具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先選取或制備一納米壓印硬模板，所述納米壓印硬模板具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形；然后利用納米壓印技術(shù)制備與所述納米壓印硬模板的硅波導(dǎo)陣列圖形互補(bǔ)的軟模板；然后利用所述軟模板在旋涂了納米壓印膠的所述SOI片的硅層上壓印出具有多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形，脫模，在所述SOI片上制備出具有所述多波長光柵結(jié)構(gòu)的硅波導(dǎo)陣列圖形。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述多波長光柵結(jié)構(gòu)為多波長取樣DBR光柵結(jié)構(gòu)或多波長取樣DFB光柵結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述多波長光柵結(jié)構(gòu)的光柵占空比、取樣周期的占空比均為50%，刻蝕深度為15nm。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述硅波導(dǎo)的寬度范圍為I?5μπι，高度范圍為200nm?2 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列為InP基多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列或GaAs基多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列。
7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于所述多量子阱光增益結(jié)構(gòu)陣列中的每個(gè)多量子阱光增益結(jié)構(gòu)都具有上下分別限制層和多量子阱層，并且具有側(cè)向限制作用的條形結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述SOI片上的每一硅波導(dǎo)兩側(cè)設(shè)定距離外設(shè)置鍵合區(qū)制備鍵合層。
9.如權(quán)利要求1或8所述的方法，其特征在于所述鍵合層為一復(fù)合金屬層，所述復(fù)合金屬層從下到上依次為粘附金屬層和鍵合金屬層。
10.如權(quán)利要求9所訴的方法，其特征在于所述鍵合區(qū)的寬度范圍可為30?200μ m ;所述粘附金屬層為Cr、Ni或Ti，其厚度范圍為5?20nm ;所述鍵合金屬層為AuSn、InSn,InAu、PbIn或In,其厚度范圍為180nm?2 μ m。
【文檔編號】H01S5/20GK103515842SQ201310471034
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】李艷平, 陶利, 陳娓兮, 冉廣照 申請人:北京大學(xué)