CN105552717B - 一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法 - Google Patents

一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法。该方法包括：制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅；其中所述光栅用于实现激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射；所述光栅包含相移结构；通过后续工艺，制备激光器；所述后续工艺包括刻蚀工艺和沉积金属工艺。本发明解决了现有技术中的模分复用光子集成芯片的光源光耦合损耗大的问题。

Description

一种基于准二维光栅的混合模式激光器、阵列及制作方法
技术领域
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种激光器制作方法、激光器及激光器阵列。
背景技术
随着互联网的发展,网络容量的需求***式增长。光纤通信技术是整个网络的物理基础。为了有效增加带宽,光纤模分复用技术被广泛的关注并应用在实际的网络***中。另一方面，光子集成技术是将多个分立的光电芯片集成在单个芯片上，是目前公认的提升光通讯容量的必然的技术趋势。
近年来，为了有效增加光子集成芯片的信息容量，模分复用也被广泛的研究和关注，并被认为是增加光子集成芯片通讯容量的重要手段之一。模分复用也往往和目前成熟并广泛使用的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术结合在一起，是未来大幅度提高光通讯容量的有效方法。比如2014年1月Lian-Wee Luo等人在《自然-通讯》发表了WDM兼容的模分复用芯片。该芯片利用微环实现光的模分复用，实现了3种模式(TE0,TE1和TE2)的同时传输，为片上超高带宽通讯提供了一种方案。
在现有技术中，对于一个基于模分复用的光子集成芯片，需要多种具有处理多模式功能的光子元件。比如基于微环的模式耦合器、基于长周期光栅的模式变换器等等。目前该类芯片的构架为：分布式反馈(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器发射基模光，输出的光分成多路并利用模式变换器将光变换成不同的模式，再进行信号的调制、模式复用、传送等后续的处理。但是这种构架具有元件数量比较多，制造精度要求高，比如基于微环的模式变换器往往都需要配置热调谐才能使谐振波长调谐到工作波长，不同元件之间连接处都需要进行光耦合，光耦合时会带来光的损耗，导致所述基于模分复用的光子集成芯片光源的光耦合损耗大。
发明内容
本申请实施例提供一种激光器制作方法，用以解决现有技术中的模分复用光子集成芯片的光源制造成本高光耦合损耗大的问题。
本申请实施例还提供一种分布式反馈半导体激光器，用以解决现有技术中的模分复用光子集成芯片的光源光耦合损耗大的问题。
本申请实施例还提供一种分布式反馈半导体激光器阵列，用以解决现有技术中的模分复用光子集成芯片的光源光耦合损耗大的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：
一种激光器的制作方法，包括：
制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅；其中所述光栅用于实现激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射；所述光栅包含相移结构；
通过后续工艺，制备激光器；所述后续工艺包括刻蚀工艺和沉积金属工艺。
一种分布式反馈半导体激光器，包括：
所述激光器是根据权利要求1～8任一方法获得的。
一种分布式反馈半导体激光器阵列，包括：
所述激光器阵列中的每个激光器是根据权利要求1～8任一方法获得的；
所述激光器阵列中的每个激光器的激射光波长不同；所述每个激光器的激射光波长是通过改变每个激光器的取样结构来改变的。
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：
相对于现有技术中模分复用光子集成芯片需要多种具有处理多模式功能的光子元件，造成的光源光耦合损耗大的问题，本申请实施例提供的激光器制作方法，通过制作包含等效相移结构的准二维光栅结构的混合模式谐振腔，实现了激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射，无需额外的处理多模式功能的光子元件，从而减少了光子集成芯片光源的光耦合损耗。
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(a)倾斜光栅模式变换器和(b)交错光栅模式变换器的具体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的模式变换过程中的相位匹配过程示意图；
图3为本申请实施例提供的(a)倾斜光栅结构的混合模式谐振腔和(b)交错光栅结构的混合模式谐振腔的具体结构示意图；
图4为本申请实施例提供的(a)等效倾斜光栅模式变换器和(b)等效交错光栅模式变换器的具体结构示意图；
图5为本申请实施例提供的(a)等效倾斜光栅结构的混合模式谐振腔和(b)等效交错光栅结构的混合模式谐振腔的具体结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种取样结构光栅的制作过程示意图；
图7为本申请实施例提供的通过计算得到的等效交错光栅的0阶模和1阶模式的反射谱和透射谱示意图；
图8是在某一个光栅结构下计算得到的激光器内部不同模式的光场分布情况；
图9为本申请实施例1提供的一种分布式反馈半导体激光器的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
为解决现有技术中模分复用光子集成芯片的光源光耦合损耗大的问题，本申请实施例1提供一种分布式反馈半导体激光器的制作方法。
该方法的实现流程示意图如图9所示，包括下述步骤：
步骤11：制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅；
本申请实施例中，所述混合模式谐振腔指可以同时传播两种以上模式的谐振腔。在实际应用中，可以利用基于光栅的模式变换器来实现所述混合模式谐振腔中不同模式的变换。所述分布式反馈半导体激光器的制作材料包括但不限于下述至少一种：磷化铟材料、硅材料。
所述基于光栅的模式变换器主要有两种：基于倾斜光栅结构的模式变换器和基于交错光栅结构的模式变换器。所述倾斜光栅结构如图1(a)所示，所述交错光栅结构如图1(b)所示。为了便于描述，在这里，我们将所述倾斜光栅结构和所述交错光栅结构统称为光栅结构。
以在多模结构的光栅中传播0阶模和1阶模为例，模式转变的相位匹配过程如图2所示。
当0阶模的传播常数β0、1阶模的传播常数β1和光栅周期Λ(沿腔方向的周期分量)满足如下等式时：
β0+β1＝2π/Λ (1)
光栅中的模式就会发生变换，其中neff0表示0阶模的有效折射率，neff1表示1阶模的有效折射率。
光栅的周期Λ和波长λ的关系可以用公式(3)表示：
两个模式的耦合强度κ的计算方法为已是比较成熟的相关技术，本说明书中对此不再进一步赘述。
比如0-1模式的耦合强度可以表示为：
其中，Ψ(x)0和Ψ(x)1分别是0阶模和1阶模的横向电场分布函数，Δε(x)是横向的介电常数分布。
本申请实施例中，基于上述可以带来模式变换的光栅结构，可以制作激光器的混合模式谐振腔。具体方法为，在所述光栅结构中***相移结构，便可以形成混合模式谐振腔，所述混合模式谐振腔可以实现光传播的同时不同模式的相互耦合。
本申请实施例中，所述相移结构可以是π相移结构。那么，在对所述倾斜光栅结构和交错光栅结构***π相移结构后，形成的倾斜光栅结构的混合模式谐振腔和交错光栅结构的混合模式谐振腔分别如图3(a)和图3(b)所示。
本申请实施例中，所设计的光栅结构并不是只沿波导方向变化的一维的光栅结构，而是倾斜的光栅结构或交错光栅结构，显然，所述倾斜光栅结构和交错光栅结构也不是二维的光栅结构。因此，在本申请实施例中，将所述光栅的结构称为准二维光栅结构。
本申请实施例中，以TE0模式和TE1模式为例，详细介绍基于相移结构的所述混合模式谐振腔中模式的耦合过程。如图3所示，沿+Z方向传播的TE0模式经过光栅的耦合作用，分布反射同时转化成TE1模式，而TE1模式在-Z方向传播过程中又反射形成TE0模式。即所述混合模式谐振腔可以实现TE0模式和TE1模式的混合谐振，并且TE0模式和TE1模式的波长相同。因为在同一时刻，有两组独立的TE0模式和TE1模式混合谐振，所以最终在端面输出的是独立的TE0模式和TE1模式。
在实际应用中，可以利用微纳加工技术制作用于构成混合模式谐振腔的所述倾斜光栅或所述交错光栅。具体地，可以基于电子束曝光或纳米压印等技术在激光器上限制层上制作光栅然后二次外延即可。所述光栅的光栅周期可以根据目标激光器的波长，通过公式(3)得到。
本申请实施例中，还可以利用基于取样光栅的模式变换器来实现所述混合模式谐振腔，所述基于取样光栅的模式变换器主要有两种：基于等效倾斜光栅结构的模式变换器和基于等效交错光栅结构的模式变换器。所述等效倾斜光栅结构如图4(a)所示，所述等效交错光栅结构如图4(b)所示。为了便于描述，在这里，我们将所述等效倾斜光栅结构和所述等效交错光栅结构统称为等效光栅结构。
所述等效倾斜光栅结构包括均匀的种子光栅(基本光栅)结构和取样光栅结构，如图4(a)和图4(b)所示。
本申请实施例中，基于上述可以带来模式变换的等效光栅结构，可以制作激光器的混合模式谐振腔。具体方法为，在所述等效光栅结构中***等效相移结构，便可以形成混合模式谐振腔，所述混合模式谐振腔可以实现光传播的同时不同模式的相互耦合。
本申请实施例中，所述等效相移结构可以是π等效相移结构。那么，在对所述等效倾斜光栅结构和所述等效交错光栅结构***π相移结构后，形成的等效倾斜光栅结构的混合模式谐振腔和等效交错光栅结构的混合模式谐振腔分别如图5(a)和图5(b)所示。
本申请实施例中，所述基于等效相移结构的混合模式谐振腔中模式的耦合过程与基于相移结构的所述混合模式谐振腔中模式的耦合过程相同，在此不再赘述。
本申请实施例中，在制作所述基于等效倾斜光栅结构的模式变换器和基于等效交错光栅结构的模式变换器时，述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅的等效光栅尺寸是根据目标激光器所要实现的波长，通过激光器的波长和等效光栅尺寸之间的关系得到的。
具体地，对于如图4(a)所示的所述等效倾斜光栅结构而言，可以用光栅矢量来表示光栅的结构，所述光栅矢量中包含光栅的周期和光栅的倾斜角度等信息。由于等效倾斜光栅结构中包含均匀的种子光栅结构和取样光栅结构，在这里，我们用表示是基本光栅结构(即均匀的种子光栅结构)的光栅矢量，表示取样结构的傅立叶+1级的光栅矢量，用表示我们所需要的等效倾斜光栅的+1级子光栅矢量。那么可以根据公式(5)，来获得
所以，只要设计和就可以得到我们所需要的(其中包含了光栅周期和光栅倾斜角度等信息)。再根据公式(1)和(2)便可以获得与激光器的目标波长相对应的模式变换器的尺寸。
对于如图4(b)所示的所述等效交错光栅结构而言，等效交错光栅结构的+1/-1级子光栅周期Λ±1与种子光栅周期Λ0和取样周期P之间的关系可以用公式(6)表示：
即可以通过所述公式(6)获得光栅的周期，同样，再根据公式(1)和(2)便可以获得与激光器的目标波长相对应的模式变换器的尺寸。
在通过上述混合模式谐振腔的等效光栅结构尺寸的获取方法获取所述等效光栅结构的尺寸后，本申请实施例中，可以利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术制备所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅。
具体地，可以利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术在光刻掩膜版上制作取样结构，然后在晶片上制作光栅。在晶片上制作光栅的过程分两步，如图6所示：步骤I，使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀的种子光栅结构；步骤II，通过具有取样结构的所述光刻掩膜版进行曝光，把所述光刻掩膜板的取样结构制作到晶片的光刻胶上，再腐蚀所述具有取样光栅结构光刻胶的晶片，在晶片上形成等效光栅结构。需要说明的是，在晶片上制作光栅的两步曝光顺序可互换。
准二维的取样光栅技术制造混合模式激光器仅需要一次全息曝光结合一次普通光刻便可以制作均匀的种子光栅结构和取样光栅结构。激光器的制作成本很低，适合规模化制造，而且激光器能保证很好的单模性。对于多波长混合模式激光器阵列，不同激光器，仅需要改变取样结构，种子光栅可以保持不变，准二维的取样光栅技术具有很高精度的波长控制能力，便于与其他光子器件的单片集成，也适合面向波分复用的光通讯***。
本申请实施例中，通过计算得到了基于等效光栅结构的混合模式谐振腔的0阶模和1阶模式的反射谱(Transmission)和透射谱(Reflection)，如图7所示，其中，Transission0、Transission1分别是0、1模式的透射谱，Reflection0、Reflection 1分别是0、1模式的反射谱。可以看到0级反射有2个反射峰，这2个反射峰分别对应了0阶和1阶模式。+1级的反射峰0阶模式和1阶模式完全重合在一起形成混合的模式。两个反射峰中间有一个强透射峰是因为***了等效π相移结构引起的谐振。所述强透射峰对应的点即为激光器的谐振点(Resonant mode)。
本申请实施例中，对于基于倾斜光栅和交错光栅的谐振腔结构，只要将π相移结构引起的谐振点所对应的波长设计为我们需要的激射波长即可，具体波长的计算方法可以根据公式(1)和公式(2)获得。
对于基于等效倾斜光栅和等效交错光栅的谐振腔结构，根据图7计算的反射与透射谱，如果将0级设计在增益带宽外面，抑制不需要的谐振，+1级(或者-1级，此处以+1级为例)设计在增益处(比如1550左右的通讯带宽内)，在谐振点的位置就是设计所需要的激射波长位置。图8是在某一个光栅结构下计算得到的激光器内部不同模式的光场分布情况。因为这里只计算了两个独立混合模式中的一种，所以出射的模式左侧是mode1，右侧是mode0。另一个独立的混合模式是左侧出射mode0，右侧出射mode1，最后一侧端面同时输出2种模式。
步骤12：通过后续工艺，制备激光器。
本申请实施例中，在通过执行步骤11获得用于构成激光器混合模式谐振腔的准二维光栅结构后，后续的完成激光器制备的工艺为相对成熟的现有技术，主要包括刻蚀工艺和沉积金属工艺，在此不再赘述。
需要说明的是，本申请实施例中，可以根据通过执行步骤11和步骤12获得能够产生同一波长多种模式的DFB半导体激光器后，可以利用多个所述DFB半导体激光器构成激光器阵列，其中，所述激光器阵列中每个DFB半导体激光器的激射光波长不同，即需要设计不同激射波长的DFB半导体激光器。
具体地，对于利用倾斜光栅和/或交错光栅制作多波长激光器阵列而言，其本质为制作不同光栅周期的包含π相移结构的光栅，进而获得多波长的激光器阵列。
对于利用等效倾斜光栅和/或等效交错光栅制作多波长激光器阵列而言，可以保持均匀种子光栅的周期不变，通过制作不同取样光栅结构的等效光栅，进而获得多波长的激光器阵列。例如，对于等效交错光栅，可以保持均匀种子光栅的周期不变，通过改变取样光栅结构的取样周期，进而获得多波长的激光器阵列。
在获得所述多波长激光器阵列后，为了和后续无源光波导混合集成，还可以将所述多波长混合模式激光器阵列发射芯片利用封装的方法实现混合集成发射芯片。无源波导端面可以制作模式变换器，以使得所述无源波导端面的模式与激光器的模式尽可能匹配。具体实现方法可以是透镜耦合法，也可以是激光器直接对准的封装方法。
所述多波长混合模式激光器阵列发射芯片可以是磷化铟材料多波长混合模式激光器阵列发射芯片，也可以是硅材料多波长混合模式激光器阵列发射芯片。
当所述多波长混合模式激光器阵列发射芯片是磷化铟材料多波长混合模式激光器阵列发射芯片时。所述激光器阵列与调制器、合波器单片集成。调制器是InP微环调制器，为了工作波长一致，可以制作热调谐金属薄膜。调制器选择特定的波长和模式进行调制。
当所述多波长混合模式激光器阵列发射芯片是硅材料多波长混合模式激光器阵列发射芯片时。所述激光器可以是聚合物键合或者氧化键合技术实现的Si/InP的混合集成激光器。其中，调制器是掺杂的硅微环调制器，为了工作波长一致，可以制作热调谐金属薄膜。合波器可以制作定向耦合器。
相对于现有技术中模分复用光子集成芯片需要多种具有处理多模式功能的光子元件，造成的光源光耦合损耗大的问题，本申请实施例1提供的激光器制作方法，通过制作包含等效相移结构的准二维光栅结构的混合模式谐振腔，实现了激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射，无需额外的处理多模式功能的光子元件，从而减少了光子集成芯片光源的光耦合损耗。
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，拟制备工作波长在1550nm范围的等效混合模式DFB激光器。
基于上述实施场景，实施例2提供的激光器制作过程包括下述步骤：
步骤21：利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术在光刻掩膜版上制作取样结构；
步骤22：在n型衬底材料上依次外延n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1.1×1018cm-2)、100nm厚的非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(下波导层)、应变InGaAsP多量子阱(光荧光波长1.52微米，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料)和100nm厚的p型晶格匹配InGaAsP(掺杂浓度约1.1×1017cm-2)上波导层；
步骤23：利用具有取样结构的所述光刻掩膜版和全息干涉曝光的方法在上波导层形成工作波长在1550nm范围的激光器的等效交错光栅结构；
步骤24：通过二次外延生长p型InP和p型InGaAs(厚度100nm，掺杂浓度大于1×1019cm-2)；
步骤25：刻蚀形成脊形波导和接触层，脊波导长度为400微米，脊宽根据所需要支持的模式数来确定，脊侧沟宽20微米，深1.5微米；
步骤26：通过等离子加强化学汽相沉积法(PECVD)将脊形周围填充SiO2或有机物BCB形成绝缘层；
步骤27：镀上Ti-Au金属P电极；
步骤28：器件两端根据具体需求镀膜后，便可以得到工作波长在1550nm范围的激光器。
相对于现有技术中模分复用光子集成芯片需要多种具有处理多模式功能的光子元件，造成的光源光耦合损耗大的问题，本申请实施例2提供的激光器制作方法，通过制作包含等效相移结构的准二维光栅结构的混合模式谐振腔，实现了激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射，无需额外的处理多模式功能的光子元件，从而减少了光子集成芯片光源的光耦合损耗。
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。

Claims (9)

1.一种激光器的制作方法，其特征在于，包括：
制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅；其中所述光栅用于实现激光器谐振腔中相同波长的激光以两种以上的模式共同发射；所述光栅为包含相移结构的准二维光栅，所述准二维光栅是指，光栅结构并不是只沿波导方向变化的一维的光栅结构，而是倾斜光栅结构或交错光栅结构，倾斜光栅结构和交错光栅结构不是二维的光栅结构；
通过后续工艺，制备激光器；所述后续工艺包括刻蚀工艺和沉积金属工艺，其中制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅，包括：
确定所述光栅的光栅周期；
利用微纳加工技术，根据所述光栅周期，制造所述倾斜光栅或所述交错光栅；其中，所述光栅的光栅周期是根据目标激光器的波长，通过激光器的波长和光栅的光栅周期之间的关系得到的。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光栅包括下述任意一种：
倾斜光栅；
交错光栅；
等效倾斜光栅；
等效交错光栅。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，制作用于构成激光器混合模式谐振腔的光栅，包括：
确定所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅对应的取样光栅结构；
利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术，根据所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅对应的取样光栅结构，制备所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅；其中，所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅对应的取样光栅结构是根据目标激光器所要实现的波长，通过激光器的波长和所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅对应的取样光栅结构之间的关系得到的。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于，利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术制备所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅，包括：
利用准相位匹配技术和重构-等效啁啾技术在光刻掩膜版上制作取样光栅的取样结构；
利用具有取样结构的所述光刻掩膜版和光刻技术，制备所述等效倾斜光栅或所述等效交错光栅。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光器的0级波长在增益带宽外，+1级波长或-1级波长在增益区内。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述相移结构包括下述任意一种：
π相移结构；
等效π相移结构。
7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述激光器的制作材料包括下述至少一种：
磷化铟材料；
硅材料。
8.一种分布式反馈半导体激光器，其特征在于，
所述激光器是根据权利要求1～7任一方法获得的。
9.一种分布式反馈半导体激光器阵列，其特征在于，
所述激光器阵列中的每个激光器是根据权利要求1～7任一方法获得的；
所述激光器阵列中的每个激光器的激射光波长不同；所述每个激光器的激射光波长是通过改变每个激光器的取样结构来改变的。
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