CN106410607B - 有源光相控阵光子集成芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源光相控阵光子集成芯片及其制备方法，其中，芯片包括：相干激光器阵列，以通过同一材料和工艺实现的主‑从激光器，通过单向注入锁定方式使多个从激光器中各个从激光器之间具有相同频率和固定相位的良好相干性；光相位调制器阵列，以通过电信号调制方式控制多个光相位调制器中各个光相位调制器对光的相位延迟；过渡波导阵列和光场辐射阵列，用于调整不同从激光器发出的、经过不同光相位调制器而具有不同光相位延迟的相干光束进行波束和发射位置，以根据相位延迟之区别决定相干叠加光束出射方向。该集成芯片可以集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，兼有芯片集成化和出射功率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种有源光相控阵光子集成芯片及其制备方法。
背景技术
相关技术，激光雷达采用激光而非无线电波作为发射源，相对传统雷达具有体积小、探测精度高的优势。从最初的单纯测距，发展到现在的三维成像，激光雷达在各种军事和民用的场合具有广泛的应用空间。
受限于激光器的可集成的数量，为获得高分辨率的三维雷达图像，激光雷达需要在激光器之后加扫描装置。现有商用激光雷达采用机械扫描装置改变激光器光束方向的方式，存在扫描和成像速度慢、重量和体积大的缺点。如果能够采用非机械扫描的方式控制激光光束的出射方向，则可能大大提高扫描和成像速度，有效降低激光雷达的体积和重量。
微波相控阵雷达，通过电学的方式调节具有相同发射频率的、从不同天线发射出来的电磁波的相位，通过相干的方式实现对电磁波出射方向的控制。如果将相控阵的方法应用到光学领域，即通过电学方法调节具有相同波长、从不同波导发射出来的激光束的相位，并将这些激光束合束相干，则有可能实现对激光出射方向的高速控制，是激光雷达的重要发展方向。
然而，不同激光器之间很难实现相同的波长和固定的相位差，因此现有的相控阵激光雷达普遍采用无源相控阵的方式，即由单个激光器提供出射光束、分束进入不同的无源波导，然后由光调制器调制相位、最后从各个发射单元辐射相干。目前，这种无源光相控阵激光阵列研究已可实现，然而由于单个激光器的输出功率受限，经过分束、调制、无源波导吸收的各种损耗，大大限制了无源相控阵的激光的出射光功率，从而导致无源相控阵激光雷达探测距离短、探测灵敏度低。如果能够通过某种方式协调多个激光器之间的波长和相位，就可以由阵列中的各个激光器叠加出芯片输出光的总功率、使得出射光功率大大提高。比如利用主激光器注入锁定从激光器，使从激光器具有和主激光器相同激光频率和固定的相位，如果可以采用一个高质量的主激光器同时和多个从激光器实现稳定的注入锁定，即可达到各从激光器相位锁定、频率相同的相干激光器阵列。
然而虽有人提出过这种实现相干激光器阵列的想法，但是迄今为止未见到一个激光器同时锁定多个激光器输出相位的实验报道或产品。这里根本的问题在于真正从事过激光器注入锁定研究的人，都清楚实现激光器注入锁定并非随便一个激光器的激光进入另外一个激光器就可以实现，必须要求从激光器被锁定前的自由工作频率非常接近主激光器的工作频率才可能找到锁定的可能，而且注入光功率越低越难实现注入锁定。
因此，要实现一个主激光器同时和多个从激光器实现稳定的注入锁定，真正的技术难题在于多个从激光器和主激光器锁定前的自由工作频率需要足够靠近，即具有良好的一致性趋势。同时随着激光器功率的变化，还需要各个主、从激光器实现一定范围状态(如工作电流或温度)的调节才能实现或保持稳定的注入锁定。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种有源光相控阵光子集成芯片，该芯片可以兼有芯片集成化和出射功率高的优点，简单易实现。
本发明的另一个目的在于提出一种有源光相控阵光子集成芯片的制备方法。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种有源光相控阵光子集成芯片，包括：相干激光器阵列，所述相干激光器阵列具有主激光器、光隔离器和多个从激光器，以通过同一材料和工艺实现主-从激光器，通过单向注入锁定方式使所述多个从激光器中各个从激光器之间具有相同频率和固定相位的良好相干性；光相位调制器阵列，光相位调制器阵列具有多个光相位调制器，以通过电信号调制方式控制所述多个光相位调制器中各个光相位调制器对光的相位延迟；过渡波导阵列和光场辐射阵列，用于调整不同从激光器发出的、经过不同光相位调制器而具有不同光相位延迟的相干光束进行波束和发射位置，以根据相位延迟之区别决定所述相干叠加光束出射方向。
本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片，主激光器、各从激光器为基于同一衬底、同一外延材料、同一频率(或波长)控制结构，在此基础上带有可快速、微调的频率控制结构，通过材料、结构和精细工艺的一致性保障各激光器自由工作频率相近，并通过微调结构进一步加强频率控制能力，率先在国际上实现一个主激光器到多个从激光器的稳定注入锁定，从而通过集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，实现兼有芯片集成化和出射功率高的优点的目的。
另外，根据本发明上述实施例的有源光相控阵光子集成芯片还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主激光器和多个从激光器采用分布反馈半导体激光器，其中，所述主激光器和多个从激光器的分布反馈半导体激光器的光栅含有增益分布的周期性变化，或者所述主激光器和多个从激光器采用分布布拉格反射半导体激光器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述的主激光器和所述多个从激光器的波长选择结构为表面光栅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主激光器和多个从激光器具有相同的半导体外延结构、光波导结构和波长选择结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相干激光器阵列具有光隔离耦合区，其中，所述光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的禁带宽度大于所述主激光器和从激光器，以使所述光隔离耦合区、所述光相位调制器和所述过渡波导对所述主激光器和所述从激光器发出的光没有吸收。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光隔离耦合区、所述过渡波导、所述主激光器和所述多个从激光器具有相同的半导体外延结构，所述光隔离耦合区和所述过渡波导注入电流，所述电流不小于透明电流。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述主激光器和从激光器的外延层采用InP基半导体材料或GaAs、GaP基半导体材料。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光场辐射阵列的间距不大于激光波长的一半，其中，所述光场辐射阵列为倾斜的刻蚀镜面阵列、或者偶数级衍射光栅阵列、或者含有纳米金属结构的光场辐射阵列。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相干激光器阵列、所述光相位调制器阵列、所述过渡波导阵列和光场辐射阵列在同一个衬底上制作，以集成在同一个基地上。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种上述有源光相控阵光子集成芯片的制备方法，包括以下步骤：在重掺杂n型半导体衬底上外延激光器的活性材料结构，包括n型下包层、非掺杂下波导层、非掺杂量子阱结构、p型上波导层、n型光栅层；在主激光器和从激光器区部分制作相同光栅周期的光栅结构，刻蚀深度包括n型光栅层和部分p型上波导层，光栅布拉格波长大于量子阱能带波长40-60nm，其余部分全面刻蚀，刻蚀深度包括n型光栅层材料和部分p型上波导层；二次外延材料，包括p型上包层、重掺杂p型欧姆接触半导体材料；所述主激光器和各从激光器刻蚀相同宽度、深度的浅脊波导结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层，所述主激光器和从激光器之间刻蚀光隔离耦合区结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层、p型上波导层、非掺杂量子阱结构、非掺杂下波导层和部分n型下包层；制作电极绝缘薄膜，露出所述主激光器和所述各从激光器脊波导顶部；制作p型电极结构，在主激光器脊波导一侧制作薄膜电阻和金属电极；减薄n型衬底到70～130μm厚；在衬底背面制作n型公共电极；解理芯片条，解理位置在所述主激光器和所述从激光器端面位置；在所述主激光器和所述从激光器两个端面镀抗反射光学膜，反射率小于1％。
本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法，将主激光器、各从激光器基于同一衬底、同一外延材料、同一频率(或波长)控制结构，在此基础上带有可快速、微调的频率控制结构，通过材料、结构和精细工艺的一致性保障各激光器自由工作频率相近，并通过微调结构进一步加强频率控制能力，率先在国际上实现一个主激光器到多个从激光器的稳定注入锁定，从而通过集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，实现兼有芯片集成化和出射功率高的优点的目的。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的有源光相控阵光子集成芯片的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法的流程图。
附图标记说明：
100-有源光相控阵光子集成芯片、10-主激光器、20-光隔离耦合区、30-从激光器阵列、40-光相位调制器阵列、50-过渡波导阵列、60-光场辐射阵列、70-正电极、80-衬底、90-背电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的有源光相控阵光子集成芯片及其制备方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的有源光相控阵光子集成芯片。
图1是本发明一个实施例的有源光相控阵光子集成芯片的结构示意图。
如图1所示，该有源光相控阵光子集成芯片100包括：相干激光器阵列、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50和光场辐射阵列60。
其中，相干激光器阵列具有主激光器10、光隔离器和多个从激光器，以通过同一材料和工艺实现主-从激光器，通过单向注入锁定方式使多个从激光器中各个从激光器之间具有相同频率和固定相位的良好相干性。光相位调制器阵列40具有多个光相位调制器，以通过电信号调制方式控制多个光相位调制器中各个光相位调制器对光的相位延迟。过渡波导阵列50和光场辐射阵列60用于调整不同从激光器发出的、经过不同光相位调制器而具有不同光相位延迟的相干光束进行波束和发射位置，以根据相位延迟之区别决定相干叠加光束出射方向。本发明实施例的集成芯片100可以集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，兼有芯片集成化和出射功率高的优点。
具体地，相干激光器阵列的芯片包括一个主激光器10、多个从激光器以及之间的光隔离耦合区20，主激光器10、各从激光器采用同一材料和工艺实现的，且至少主激光器10带有微调工作温度或电流调节激光频率的结构，通过主-从激光器单向注入锁定的方式来控制使从激光器阵列30的各个从激光器之间的具有相同频率和固定相位的良好相干性；光相位调制器阵列40，采用电信号调制的方式来控制各调制器对光的相位延迟；过渡波导阵列50和光场辐射阵列60，将不同从激光器发出的、经过不同光相位调制器而具有不同光相位延迟的相干光束进行波束和发射位置的调整，最终相干叠加的光束出射方向由上述相位延迟之区别的情况来决定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，主激光器10和多个从激光器采用分布反馈半导体激光器，其中，主激光器10和多个从激光器的分布反馈半导体激光器的光栅含有增益分布的周期性变化，或者主激光器10和多个从激光器采用分布布拉格反射半导体激光器。
也就是说，相干激光器阵列中，主激光器10和从激光器阵列30采用DFB(Distributed Feedback Laser，分布反馈激光器)半导体激光器，其增益区含有周期性介电常数变化的光栅，主激光器10和从激光器阵列30的DFB激光器的光栅含有增益分布的周期性变化，即增益耦合型光栅，其光栅布拉格波长与激光器频率具有良好的对应性，有助于提高各激光器之间的频率一致性，或者主激光器10和从激光器阵列30采用DBR(Distributed Bragg Reflector，分布布拉格反射激光器)半导体激光器，其光栅布拉格波长与激光器频率具有良好的对应性，有助于提高各激光器之间的频率一致性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，主激光器10和多个从激光器的波长选择结构为表面光栅。
即言，相干激光器阵列的芯片中主激光器10和从激光器阵列30的波长选择结构可以为表面光栅。进一步地，主激光器10和从激光器阵列30的波长选择结构可以为位于激光器波导上限制层两侧的侧向耦合表面光栅。
进一步地，在本发明的一个实施例中，主激光器10和多个从激光器具有相同的半导体外延结构、光波导结构和波长选择结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相干激光器阵列具有光隔离耦合区20，其中，光隔离耦合区20、光相位调制器和过渡波导的禁带宽度大于主激光器10和从激光器，以使光隔离耦合区20、光相位调制器和过渡波导对主激光器10和从激光器发出的光没有吸收。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光隔离耦合区20、过渡波导、主激光器10和多个从激光器具有相同的半导体外延结构，光隔离耦合区20和过渡波导注入电流，电流不小于透明电流。
可以理解的是，光相位调制器和过渡波导的禁带宽度大于主激光器10和从激光器，即光相位调制器和过渡波导对主激光器10和从激光器发出的光基本没有吸收。或者，过渡波导阵列50、相干激光器阵列的芯片中主激光器10和从激光器阵列30具有相同的半导体外延结构，光隔离耦合区20和过渡波导注入电流，注入电流不小于透明载流子电流。
可选地，在本发明的一个实施例中，主激光器10和从激光器的外延层采用InP基半导体材料或GaAs、GaP基半导体材料。
举例而言，相干激光器阵列的芯片的外延层可以采用InP基半导体材料，如InGaAsP、AlGaInAs，工作波长范围为1.3μm～2.0μm，也可以采用GaAs、GaP基半导体材料，如GaAlAs、AlGaInP，工作波长范围为0.6μm～1.1μm，在此不作具体限制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光场辐射阵列60的间距不大于激光波长的一半，其中，光场辐射阵列60为倾斜的刻蚀镜面阵列、或者偶数级衍射光栅阵列、或者含有纳米金属结构的光场辐射阵列60。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相干激光器阵列、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50和光场辐射阵列60在同一个衬底80上制作，以集成在同一个基地上，实现相干激光器阵列、光相位调制器阵列40和光场辐射阵列60的光子集成，实现大功率输出、大角度覆盖的新型有源光相控阵光子集成芯片100。
下面以多个具体实施例对本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片100进行详细描述。
实施例1：
对于工作波长范围为1.3μm～2.0μm的有源光相控阵光子集成芯片100，可以基于同一片InP衬底80。衬底80或者是高掺杂的n-InP，背电极90位于衬底80的背面；或者是半绝缘InP，背电极90位于衬底80的正面。
主激光器10和从激光器阵列30的半导体外延结构、波导结构和波长选择结构相同。半导体外延结构采用p-i-n结构，p、n层可采用InP或AlInAs，厚度范围为1～2μm，i层可采用InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs等三元或四元合金III-V族化合物半导体的多量子阱结构，对应的发光谱峰范围为1.2μm～2.0μm，厚度范围为0.05～0.5μm。
以分布反馈(DFB)或分布布拉格光栅(DBR)的光栅实现激光的波长或频率选择。波长选择结构，不仅具有折射率周期性分布的折射率耦合机制，而且具有增益周期性分布的增益耦合机制。光栅可以是靠近有源层的内置光栅，这样主激光器10和从激光器阵列30需要二次外延；也可以是从外延层表面延伸到有源层附近的表面光栅，只需一次外延。光栅衍射级数可以为1～5级。
波导结构可以是掩埋异质结(BH)结构，也可以是脊波导结构。波导上、下限制层可采用InP或AlInAs，厚度范围为1～2μm。芯区可采用InGaAs、InGaAsP、AlGaInAs等三元或四元合金III-V族化合物半导体的多量子阱结构，厚度范围为0.1～0.5μm，宽度范围为1～3μm。其中制作工艺最简单的波长选择结构位于激光器波导上限制层两侧的侧向耦合表面光栅，通过InP基半导体上限制层(如p-InP、p-AlInAs等)和填充绝缘介质(如SiNx、SiO2、聚酰亚胺等)从脊波导两侧给予光场周期性扰动，且侧向耦合表面光栅区域的平均折射率低于InP基半导体上限制层，从而同时实现了脊波导的横模限制。通过调节光栅的周期，使得主激光器10和从激光器在1.3μm～2.0μm的指定波长激射。
光隔离耦合区20、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50、光场辐射阵列60的半导体外延层，也可以采用InP基的三元或四元合金III-V族化合物半导体，不过组分和主激光器10、从激光器略有差别，其有源层的禁带宽度要大于主激光器10和从激光器，使得光隔离耦合区20、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50、光场辐射阵列60对激光基本没有吸收。可以通过选区外延的材料，在具有不同间隙和宽度的介质(如SiO2、SiNx)掩模上进行外延，外延材料的生长速度和材料组分会出现一定的差别，从而使得光隔离耦合区20、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50、光场辐射阵列60比激光器具有更大的禁带宽度。也可以让所有的器件都具有相同的半导体外延结构，然后在光隔离耦合区20、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50、光场辐射阵列60注入不低于透明载流子的电流。
光相位调制器的波导结构和从激光器基本相同，表现在波导芯区宽度和厚度与从激光器相同。光相位调制器可采用电压调制模式，通过改变驱动电压调节调制器波导的等效折射率。也可采用电流调节模式，通过改变注入电流调节调制器波导的等效折射率。
过渡波导阵列50，一端连接单元个数为1×L的光相位调制器，另一端通往单元个数为M×N的二维光场辐射单元，其中L＝M×N，通过逐渐改变过渡波导的芯区宽度和厚度实现光场横向分布的调整。连接光相位调制器一端的过渡波导的芯区，其宽度和厚度与光相位调制器的芯区宽度和厚度相同，通过光场辐射单元的一端的过渡波导的芯区截面为方形，宽度和厚度范围为0.1～0.5μm，从而实现圆形的光场横向分布。
光场辐射阵列60，一种是刻蚀在过渡波导阵列50输出端的倾斜端面，端面与衬底80表面的典型夹角为45°，通过端面的全内反射实现各光束从平行衬底80方向变成垂直衬底80方向；另一种是在过渡波导阵列50输出端之后的、衍射级数为偶数级的光栅，通过光栅的衍射实现各光束从平行衬底80方向变成垂直衬底80方向。
实施例2：
对于工作波长范围为0.6μm～1.1μm的有源光相控阵光子集成芯片100，可以基于同一片GaAs或GaP衬底80。衬底80或者是高掺杂衬底，背电极90位于衬底80的背面；或者是半绝缘衬底，背电极90位于衬底80的正面。
主激光器10和从激光器阵列30的半导体外延结构、波导结构和波长选择结构相同，半导体外延结构采用p-i-n结构，p、n区可采用GaAlAs或GaInP，厚度范围为0.2～2μm，i区可采用GaAlAs、AlGaInP等三元或四元合金III-V族化合物半导体，对应的发光谱峰范围为0.6μm～1.1μm，厚度范围0.05～0.5μm。
以分布反馈(DFB)或分布布拉格光栅(DBR)的光栅实现激光的波长或频率选择。波长选择结构，不仅具有折射率周期性分布的折射率耦合机制，而且具有增益周期性分布的增益耦合机制。光栅可以是靠近有源层的内置光栅，通过多次外延形成；也可以是从外延层表面延伸到有源层附近的表面光栅，只需一次外延。光栅衍射级数可以为1～5级。
波导结构可以是掩埋异质结(BH)结构，也可以是脊波导结构。波导上、下限制层可采用GaAlAs或GaInP，厚度范围为0.2～2μm。其中制作工艺最简单的波长选择结构位于激光器波导上限制层两侧的侧向耦合表面光栅，通过GaAs或GaP基半导体上限制层(如p-GaAlAs、p-GaInP等)和填充绝缘介质(如SiNx、SiO2、聚酰亚胺等)从脊波导两侧给予光场周期性扰动，且侧向耦合表面光栅区域的平均折射率低于GaAs或GaP基半导体上限制层，从而同时实现了脊波导的横模限制。通过调节光栅的周期，使得主激光器10和从激光器在0.6μm～1.1μm的指定波长激射。
光隔离耦合区20、光相位调制器、过渡波导、光场辐射阵列60的半导体外延层，也可以采用GaAs或GaP基的三元或四元合金III-V族化合物半导体，不过通常组分略有差别，其有源层的禁带宽度要大于主激光器10和从激光器，使得光隔离耦合区20、光相位调制器、过渡波导、光场辐射阵列60对激光基本没有吸收。可以通过选区外延的方式，在具有不同间隙和宽度的介质(如SiO2、SiNx)掩模上进行外延，外延材料的生长速度和材料组分会出现一定的差别，从而使得光隔离耦合区20、光相位调制器、过渡波导、光场辐射阵列60比激光器具有更大的禁带宽度。也可以让所有的器件都具有相同的半导体外延结构，然后在光隔离耦合区20、光相位调制器阵列40、过渡波导阵列50、光场辐射阵列60注入不低于透明载流子的电流。
光相位调制器可采用电压调制模式，通过改变驱动电压调节调制器波导的等效折射率。也可采用电流调节模式，通过改变注入电流调节调制器波导的等效折射率。
过渡波导阵列50，一端连接单元个数为1×L的光相位调制器，另一端通往单元个数为M×N的二维光场辐射单元，其中L＝M×N，通过逐渐改变过渡波导的芯区宽度和厚度实现光场横向分布的调整。连接光相位调制器一端的过渡波导的芯区，其宽度和厚度与光相位调制器的芯区宽度和厚度相同，通过光场辐射单元的一端的过渡波导的芯区截面为方形，宽度和厚度范围为0.1～0.5μm，从而实现圆形的光场横向分布。
光场辐射阵列60，一种是刻蚀在过渡波导阵列50输出端的倾斜端面，端面与衬底80表面的典型夹角为45°，通过端面的全内反射实现各光束从平行衬底80方向变成垂直衬底80方向；另一种是在过渡波导阵列50输出端之后的、衍射级数为偶数级的光栅，通过光栅的衍射实现各光束从平行衬底80方向变成垂直衬底80方向。
根据本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片100，主激光器10、各从激光器为基于同一衬底80、同一外延材料、同一频率(或波长)控制结构，在此基础上带有可快速、微调的频率控制结构，通过材料、结构和精细工艺的一致性保障各激光器自由工作频率相近，并通过微调结构进一步加强频率控制能力，率先在国际上实现一个主激光器10到多个从激光器的稳定注入锁定，从而通过集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，实现兼有芯片集成化和出射功率高的优点的目的。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法。
图2是本发明一个实施例的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法的流程图。
如图2所示，该有源光相控阵光子集成芯片的制备方法包括以下步骤：
在步骤S201中，在重掺杂n型半导体衬底上外延激光器的活性材料结构，包括n型下包层、非掺杂下波导层、非掺杂量子阱结构、p型上波导层、n型光栅层。
在步骤S202中，在主激光器和从激光器区部分制作相同光栅周期的光栅结构，刻蚀深度包括n型光栅层和部分p型上波导层，光栅布拉格波长大于量子阱能带波长40-60nm，其余部分全面刻蚀，刻蚀深度包括n型光栅层材料和部分p型上波导层。
在步骤S203中，二次外延材料，包括p型上包层、重掺杂p型欧姆接触半导体材料。
在步骤S204中，主激光器和各从激光器刻蚀相同宽度、深度的浅脊波导结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层，主激光器和从激光器之间刻蚀光隔离耦合区结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层、p型上波导层、非掺杂量子阱结构、非掺杂下波导层和部分n型下包层。
在步骤S205中，制作电极绝缘薄膜，露出主激光器和各从激光器脊波导顶部。
在步骤S206中，制作p型电极结构，在主激光器脊波导一侧制作薄膜电阻和金属电极。
在步骤S207中，减薄n型衬底到70～130μm厚。
在步骤S208中，在衬底背面制作n型公共电极。
在步骤S209中，解理芯片条，解理位置在主激光器和从激光器端面位置。
在步骤S210中，在主激光器和从激光器两个端面镀抗反射光学膜，反射率小于1％。
需要说明的是，芯片包括的器件都在同一个衬底上制作，主激光器和从激光器所需的外延次数不超过两次，过渡波导只需一次外延，光相位调制器只需一次外延。其中，有源光相控阵激光器阵列芯片在整个制备过程中所需的外延总次数不超过两次。
另外，在本发明的一个实施例中，采用选择性区域外延技术，使得光隔离耦合区、相位调制器、过渡波导的禁带宽度大于主激光器、从激光器的禁带宽度，对出射激光基本没有吸收。
在本发明的一个具体实施例中，以一种波长约为1550nm的有源光相控阵光子集成芯片制备方法为例。该有源光相控阵光子集成芯片包括主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列、过渡波导阵列、光场辐射阵列，正电极，衬底和背电极。所有的器件采用相同的外延结构。具体实施方式如下：
在一个高掺杂的n型InP衬底上，采用金属有机物化学气相外延(MOVPE)生长如下材料：n型InP缓冲层(厚度1000nm、掺杂浓度约1×1018cm-3)，i层400nm，包括非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层(厚度100nm，光荧光波长1150nm)、InGaAsP有源层多量子阱(10对量子阱，阱宽10nm，0.7％压应变，光荧光波长1550nm，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1200nm)、非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层(厚度100nm，光荧光波长1150nm)，p型InP波导上限制层(厚度1500nm，掺杂浓度从3×1017cm-3渐变到为1×1018cm-3)和p型InGaAs欧姆接触层(厚度100nm，掺杂浓度约1×1019cm-3)。
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，在p型欧姆接触层上沉积厚度为400nm的SiNx。采用电子束曝光，形成主激光器和从激光器阵列的波导和侧向耦合表面光栅、光隔离耦合区、光相位调制器阵列、过渡波导阵列的光刻胶图案。主激光器和从激光器波导宽度约为2μm，光栅衍射级数为二阶，周期约为480nm。光相位调制器宽度约为2μm，过渡波导的宽度从连接光相位调制器的一端的2μm逐渐变化到另一端的0.4μm。采用反应离子刻蚀(RIE)，以SF6为反应气体，将波导和光栅的图案从光刻胶转移到SiNx。采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl2、CH4、H2和Ar为反应气体，刻蚀p型InGaAs欧姆接触层和p型InP波导上限制层，形成InP基半导体材料的波导和侧向耦合表面光栅结构。光刻，光刻胶覆盖住主激光器、从激光器、光相位调制器，采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl2、CH4、H2和Ar为反应气体，刻蚀i层和n型InP，形成过渡波导及光场辐射阵列。
采用原子层沉积(ALD)，在InP基波导和侧向耦合表面光栅结构上沉积厚度为50nm的SiNx，形成对InP基波导和光栅的侧壁钝化。旋转涂覆光敏聚酰亚胺，使得该聚酰亚胺填充InP基波导和光栅的凹陷区域。光刻去除InP基波导和光栅顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF6为反应气体，去除InP基波导和光栅顶部的SiNx，露出InP基波导和光栅顶部的InGaAs欧姆接触层。光刻，然后采用化学腐蚀液去除主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列之间的波导的InGaAs欧姆接触层，实现主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列之间电隔离。光刻，形成主激光器、从激光器阵列、光隔离耦合区和光相位调制器阵列的p型正电极图案。然后依次磁控溅射Ti、Pt、Au后丙酮超声剥离形成形成主激光器、从激光器阵列、光隔离耦合区和光相位调制器阵列的p型正电极。对于主激光器和从激光器来说，p电极和InP基波导及光栅顶部的欧姆接触层接触，电流可以从波导及光栅的InGaAs欧姆接触层和p型InP层等半导体部分注入，而不能从填充光栅的SiNx和聚酰亚胺等绝缘体部分注入，使得该侧向耦合光栅不仅因为InP半导体和SiNx、聚酰亚胺的折射率周期分布具有折射率耦合机制，而且因为注入电流的周期性分布形成增益耦合机制。对InP衬底从背面进行减薄，磁控溅射Ni、Au作为地电极。
本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片，主激光器和从激光器阵列通过各自的正电极注入1.1～4倍阈值电流密度，使得主激光器和从激光器激射。光相位调制器阵列中的各个调制器施加各自的电流信号，产生各束激光的相位差。光隔离耦合区、相位调制器阵列和过渡波导通过各自的正电极注入不低于透明载流子电流的电流密度。
在本发明的另一个实施例中，以工作波长为1310nm的有源光相控阵光子集成芯片为例。有源光相控阵光子集成芯片包括主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、相位调制器阵列、过渡波导、光场辐射阵列，主激光器和从激光器阵列具有相同的外延结构和波导结构，光隔离耦合区和过渡波导具有相同的外延结构和波导结构，光隔离耦合区、相位调制器阵列、过渡波导和光场辐射阵列的能带宽度大于主激光器和从激光器阵列的禁带宽度，对出射激光基本没有吸收。具体实施方式如下：
采用选择性区域外延技术，使得光隔离耦合区、相位调制器、过渡波导的禁带宽度大于主激光器、从激光器的禁带宽度，对出射激光基本没有吸收。在高掺杂的n型InP衬底上，采用PECVD沉积厚度约200nm的SiO2，光刻、缓冲HF酸湿法腐蚀，在不同的器件区域形成宽度不同的SiO2图案。其中，所有器件区域的SiO2开口宽度相同，开口宽度范围5～20μm，主激光器和从激光器区域的SiO2宽度为100～500μm，光调制器区域的SiO2宽度为100～500μm，光隔离耦合区和过渡波导区域的SiO2宽度为100～500μm。采用MOVPE生长n型InP缓冲层、非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层、InGaAsP有源层多量子阱、非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层、p型InP波导上限制层和p型InGaAs欧姆接触层。利用光相位调制器、光隔离耦合区和过渡波导区域的SiO2图案的宽度与主激光器、从激光器区域的SiO2图案宽度的差异，使得主、从激光器有源层增益谱峰约1310nm，而光相位调制器、光隔离耦合区和过渡波导有源区的吸收谱峰比激光器短100～300nm。
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，在p型欧姆接触层上沉积厚度为400nm的SiNx。采用电子束曝光，形成主激光器和从激光器阵列的波导和侧向耦合表面光栅、光隔离耦合区、光相位调制器阵列、过渡波导阵列的光刻胶图案。主激光器和从激光器波导宽度约为2μm，光栅衍射级数为二阶，周期约为410nm。光相位调制器宽度约为2μm，过渡波导的宽度从连接光相位调制器的一端的2μm逐渐变化到另一端的0.4μm。采用反应离子刻蚀(RIE)，以SF6为反应气体，将波导和光栅的图案从光刻胶转移到SiNx。采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl2、CH4、H2和Ar为反应气体，刻蚀p型InGaAs欧姆接触层和p型InP波导上限制层，形成InP基半导体材料的波导和侧向耦合表面光栅结构。光刻，光刻胶覆盖住主激光器、从激光器、光相位调制器，采用电感应耦合等离子体刻蚀(ICP)，以Cl2、CH4、H2和Ar为反应气体，刻蚀i层和n型InP，形成过渡波导及光场辐射阵列。
采用原子层沉积(ALD)，在InP基波导和侧向耦合表面光栅结构上沉积厚度为50nm的SiNx，形成对InP基波导和光栅的侧壁钝化。旋转涂覆光敏聚酰亚胺，使得该聚酰亚胺填充InP基波导和光栅的凹陷区域。光刻去除InP基波导和光栅顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF6为反应气体，去除InP基波导和光栅顶部的SiNx，露出InP基波导和光栅顶部的InGaAs欧姆接触层。光刻，然后采用化学腐蚀液去除主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列之间的波导的InGaAs欧姆接触层，实现主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列之间电隔离。光刻，形成主激光器、从激光器阵列、光隔离耦合区和光相位调制器阵列的p型正电极图案。然后依次磁控溅射Ti、Pt、Au后丙酮超声剥离形成主激光器、从激光器阵列、光隔离耦合区和光相位调制器阵列的p型正电极。对于主激光器和从激光器来说，p电极和InP基波导及光栅顶部的欧姆接触层接触，电流可以从波导及光栅的InGaAs欧姆接触层和p型InP层等半导体部分注入，而不能从填充光栅的SiNx和聚酰亚胺等绝缘体部分注入，使得该侧向耦合光栅不仅因为InP半导体和SiNx、聚酰亚胺的折射率周期分布具有折射率耦合机制，而且因为注入电流的周期性分布形成增益耦合机制。对InP衬底从背面进行减薄，磁控溅射Ni、Au作为地电极。
本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片，主激光器和从激光器阵列通过各自的正电极注入1.1～4倍阈值电流密度，使得主激光器和从激光器激射。相位调制器阵列中的各个调制器施加各自的电压信号，产生各束激光的相位差。光隔离耦合区和过渡波导通过各自的正电极注入不低于透明载流子电流的电流密度。
在本发明的再一个实施例中，以工作波长为850nm的有源光相控阵光子集成芯片为例。有源光相控阵光子集成芯片包括主激光器、光隔离耦合区、从激光器阵列、光相位调制器阵列、过渡波导阵列、光场辐射阵列，主激光器和从激光器阵列具有相同的外延结构和波导结构，光隔离耦合区和过渡波导具有相同的外延结构和波导结构，光隔离耦合区、相位调制器阵列、过渡波导和光场辐射阵列的能带宽度大于主激光器和从激光器阵列的禁带宽度，对出射激光基本没有吸收。具体实施方式如下：
第一次外延。在重掺n+-GaAs衬底上，采用MOVPE生长n-GaAs缓冲层(厚度约500nm，掺杂浓度约1×1018cm-3)、n型晶格匹配Ga1-xAlxAs下限制层(厚度约1000nm，x≈0.45，掺杂浓度约为5×1017cm-3)、非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs下波导层(厚度约150nm，x≈0.06)、非掺杂应变GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层(10个周期，GaAs量子阱，厚度约10nm；Ga1-xAlxAs势垒，厚度约10nm，x≈0.06)、非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs上波导层(厚度约150nm，x≈0.06)。
光栅制作。在主激光器、从激光器和光场辐射阵列部分，采用全息曝光或电子束曝光形成周期性的光刻胶图案，湿法或干法刻蚀没有光刻胶保护区域的GaAs及GaAlAs，刻蚀去除1～5个量子阱形成含有增益耦合机制的波长选择结构，主激光器和从激光器部分光栅级数为1级或3级，光场辐射阵列部分的光栅级数为2级或4级。
第二次外延，采用MOVPE生长晶格匹配p-Ga1-xAlxAs上限制层(厚度1000nm，x≈0.45，掺杂浓度约5×1017cm-3)和p+-GaAs欧姆接触层(厚度300nm，掺杂浓度约1×1019cm-3)。光刻，湿法或干法刻蚀出光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的区域。
第三次外延，采用MOVPE生长n-GaAs缓冲层(厚度约500nm，掺杂浓度约1×1018cm-3)、n型晶格匹配Ga1-xAlxAs下限制层(厚度约1000nm，x≈0.45，掺杂浓度约为5×1017cm-3)、非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs下波导层(厚度约150nm，x≈0.06)、非掺杂应变GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层(有源层禁带宽度要远大于激光器，10个周期，GaAs量子阱，厚度约10nm；Ga1-xAlxAs势垒，厚度约10nm，x≈0.06)、非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs上波导层(厚度约150nm，x≈0.06)、p-Ga1-xAlxAs上限制层(厚度1000nm，x≈0.45，掺杂浓度约5×1017cm-3)和p+-GaAs欧姆接触层(厚度300nm，掺杂浓度约1×1019cm-3)。
制作主激光器、光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的波导结构。采用PECVD沉积厚度约1000nm的SiNx，光刻形成宽度范围为1～3μm的条形图案，采用RIE、以SF6为反应气体刻蚀SiNx，采用ICP、以Cl2和BCl3为反应气体刻蚀p+-GaAs欧姆接触层和p-Ga1-xAlxAs上限制层形成主激光器、从激光器阵列和光相位调制器的波导结构。光刻，形成覆盖主激光器、从激光器阵列和光相位调制的图案。采用ICP、以Cl2和BCl3为反应气体，刻蚀光隔离耦合区和过渡波导部分的p-Ga1-xAlxAs上波导层、GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层、n-Ga1-xAlxAs下波导层、n-Ga1-xAlxAs下限制层和n-GaAs缓冲层，形成光隔离耦合区和过渡波导的波导结构。
制作主激光器、光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的电极。采用PECVD沉积厚度约100nm的SiNx，光刻露出器件波导顶部欧姆接触层上方的SiNx，采用RIE、以SF6为反应气体刻蚀欧姆接触层上方的SiNx。光刻，形成主激光器、光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的p型正电极图案。采用磁控溅射Ti、Pt、Au，丙酮超声剥离形成主激光器、光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的p型正电极。衬底减薄，磁控溅射Ni、Au形成单片集成的有源光相控阵的相干激光器阵列芯片的n型地电极。
本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片，主激光器和从激光器阵列通过各自的正电极注入1.1～4倍阈值电流密度，使得主激光器和从激光器激射。光相位调制器阵列中的各个调制器施加各自的电压信号，产生各束激光的相位差。光隔离耦合区和过渡波导通过各自的正电极注入不低于透明载流子电流的电流密度。
根据本发明实施例的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法，将主激光器、各从激光器基于同一衬底、同一外延材料、同一频率(或波长)控制结构，在此基础上带有可快速、微调的频率控制结构，通过材料、结构和精细工艺的一致性保障各激光器自由工作频率相近，并通过微调结构进一步加强频率控制能力，率先在国际上实现一个主激光器到多个从激光器的稳定注入锁定，从而通过集成在同一个基底上，输出光的总功率由各个从激光器相干叠加而成，实现兼有芯片集成化和出射功率高的优点的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，包括：
相干激光器阵列，所述相干激光器阵列具有主激光器、光隔离器和多个从激光器，以通过同一材料和工艺实现的主-从激光器，所述主激光器和所述从激光器激射，通过单向注入锁定方式使所述多个从激光器中各个从激光器之间具有相同频率和固定相位的良好相干性，其中，所述主激光器和多个从激光器采用分布反馈半导体激光器，所述主激光器和多个从激光器的分布反馈半导体激光器的光栅含有增益分布的周期性变化，或者所述主激光器和多个从激光器采用分布布拉格反射半导体激光器；
光相位调制器阵列，光相位调制器阵列具有多个光相位调制器，以通过电信号调制方式控制所述多个光相位调制器中各个光相位调制器对光的相位延迟；以及
过渡波导阵列和光场辐射阵列，用于调整不同从激光器发出的、经过不同光相位调制器而具有不同光相位延迟的相干光束进行波束和发射位置，以根据相位延迟之区别决定所述相干叠加光束出射方向。
2.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述的主激光器和所述多个从激光器的波长选择结构为表面光栅。
3.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述主激光器和多个从激光器具有相同的半导体外延结构、光波导结构和波长选择结构。
4.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述相干激光器阵列具有光隔离耦合区，其中，所述光隔离耦合区、光相位调制器和过渡波导的禁带宽度大于所述主激光器和从激光器，以使所述光隔离耦合区、所述光相位调制器和所述过渡波导对所述主激光器和所述从激光器发出的光没有吸收。
5.根据权利要求4所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述光隔离耦合区、所述过渡波导、所述主激光器和所述多个从激光器具有相同的半导体外延结构，所述光隔离耦合区和所述过渡波导注入电流，所述电流不小于透明电流。
6.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述主激光器和从激光器的外延层采用InP基半导体材料或GaAs、GaP基半导体材料。
7.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述光场辐射阵列的间距不大于激光波长的一半，其中，所述光场辐射阵列为倾斜的刻蚀镜面阵列、或者偶数级衍射光栅阵列、或者含有纳米金属结构的光场辐射阵列。
8.根据权利要求1所述的有源光相控阵光子集成芯片，其特征在于，所述相干激光器阵列、所述光相位调制器阵列、所述过渡波导阵列和光场辐射阵列在同一个衬底上制作，以集成在同一个基地上。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的有源光相控阵光子集成芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在重掺杂n型半导体衬底上外延激光器的活性材料结构，包括n型下包层、非掺杂下波导层、非掺杂量子阱结构、p型上波导层、n型光栅层；
在主激光器和从激光器区部分制作相同光栅周期的光栅结构，刻蚀深度包括n型光栅层和部分p型上波导层，光栅布拉格波长大于量子阱能带波长40-60nm，其余部分全面刻蚀，刻蚀深度包括n型光栅层材料和部分p型上波导层；
二次外延材料，包括p型上包层、重掺杂p型欧姆接触半导体材料；
所述主激光器和各从激光器刻蚀相同宽度、深度的浅脊波导结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层，所述主激光器和从激光器之间刻蚀光隔离耦合区结构，刻蚀深度包括p型欧姆接触层、p型上包层、p型上波导层、非掺杂量子阱结构、非掺杂下波导层和部分n型下包层；
制作电极绝缘薄膜，露出所述主激光器和所述各从激光器脊波导顶部；
制作p型电极结构，在主激光器脊波导一侧制作薄膜电阻和金属电极；
减薄n型衬底到70～130μm厚；
在衬底背面制作n型公共电极；
解理芯片条，解理位置在所述主激光器和所述从激光器端面位置；以及
在所述主激光器和所述从激光器两个端面镀抗反射光学膜，反射率小于1％。
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