CN106785907A - 光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光模块,包括:激光器,包括谐振腔,所述谐振腔的一侧具有倾斜端面,用于反射所述谐振腔沿水平方向的第一光路发出的激光束,使所述激光束沿垂直方向的第二光路输出;以及硅基波导,所述硅基波导的上表面设置有第一光栅,用于反射由所述第二光路输出的所述激光束;其中,所述激光器设置在所述硅基波导的上表面,将所述第二光路输出的所述激光束耦合至所述第一光栅,并通过所述第一光栅将所述第二光路输出的所述激光束沿水平方向的光路输出。本发明的光模块通过水平谐振腔的倾斜端面,将激光束垂直耦合至硅基底上的光栅,从而降低光源和硅基波导间的耦合损耗同时提高激光束输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及光模块,尤其涉及一种III-V族与硅基集成的光模块。
背景技术
基于硅基波导在通信波段透明和具有高折射率差等特性,混合硅基集成平台已经成为实现大规模光子集成的重要途径,从而硅基光源成为人们研究的热点。但是,由于硅是间接带隙半导体,发光的效率极低,从而用硅作为发光材料制造激光器是很困难的。为此,人们主要提出了三种方案,同质集成、异质外延和III-V/Si混合集成的方案。
同质集成主要是在硅材料上制作纳米结构、掺入稀土离子和利用受激拉曼效应三种。大多面临着发光效率偏低、需要光泵浦等问题。
异质外延是在硅衬底上面通过一系列技术生长出来晶体质量较好的半导体材料,包括直接带隙的III-V和间接带隙的锗。III-V族异质外延近些年来在1.3um硅基量子点激光器上得到了较大成功,但也存在着动态特性不高、没有Si波导耦合机制的问题。2012年,美国麻省理工的研究团队成功实现了Ge/Si激光器的点注入室温激射,但是在实用化方面存在无法室温连续激射、阈值过大和可靠性不足的问题。
III-V/Si光模块相比之下更为成熟,根据III-V族芯片和硅芯片耦合方式的不同,分为垂直耦合光模块和水平耦合光模块。其中,垂直耦合光模块是将VCSEL(垂直腔表面发射激光器)输出的光用二阶光栅耦合到硅基波导中。但是对于长波长的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)来说,由于InP和InGaAsP折射率差低,为了达到足够的反射率需要很厚的InP/InGaAsP的DBR,一方面对于生长工艺要求很高,另一方面会带来电阻较高散热较差的问题,从而输出功率不高。水平耦合光模块是将输出光通过与硅基波导近距离对接的方式耦合到硅芯片中,可以有较大的输出功率,但是光源和硅基波导耦合损耗较大,并且对于对准工艺要求很高。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种能够降低光源和硅基波导间的耦合损耗同时提高激光束输出功率的光模块。
为实现上述目的,本公开的一方面提供一种光模块,包括:
激光器,包括谐振腔,所述谐振腔的一侧具有倾斜端面,用于反射所述谐振腔沿水平方向的第一光路发出的激光束,使所述激光束沿垂直方向的第二光路输出;以及
硅基波导,所述硅基波导的上表面设置有第一光栅,用于反射由所述第二光路输出的所述激光束;
其中,所述激光器设置在所述硅基波导的上表面,将所述第二光路输出的所述激光束耦合至所述第一光栅,并通过所述第一光栅将所述第二光路输出的所述激光束沿水平方向的光路输出。
本发明的光模块通过水平谐振腔的倾斜端面,将激光束垂直耦合至硅基底上的光栅,从而降低光源和硅基波导间的耦合损耗同时提高激光束输出功率。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的,并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例,本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示意性示出根据本公开一实施例的光模块的侧视示意图;
图2示意性示出根据本公开一实施例的光模块的横截面示意图;
图3示意性示出根据本公开一实施例的光模块的俯视示意图;
图4A-4D为对本公开实施例的光模块进行2D FDTD的仿真结果示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而,示例实施方式能够以多种形式实施,且不应被理解为限于在此阐述的范例;相反,提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解,并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分,因而将省略对它们的重复描述。
应理解,虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件,但此等元件不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件。
图1示意性示出根据本公开一实施例的光模块的侧视示意图。如图1所示,光模块包括谐振腔1和硅基波导2。
谐振腔1为水平谐振腔,其自上而下依次包括缓冲层12、量子阱有源区13、光栅层14和上包层15。谐振腔1的上表面设置有电极4,谐振腔1的一侧为平整端面,另一侧为刻蚀形成的倾斜端面10,谐振腔1沿水平方向的第一光路发出激光束,经倾斜端面10反射后,使激光束沿垂直方向的第二光路输出。
本实施例的水平谐振腔利用一侧设置的倾斜端面使激光束沿垂直方向输出,相比于水平谐振腔沿水平方向输出激光束的方式,并不需要很高的对准工艺,容差容忍度更高,模式失配小,耦合效率更高。此外,本实施例的水平谐振腔与垂直谐振腔相比,不需要制作顶部多层DBR反射镜,更易于制作,且有更好的散热和更高的输出功率。
III-V族谐振腔中布拉格光栅提供选模机制:
λ=2neffΛ
其中,λ为激光器激射波长,neff为谐振腔等效折射率,Λ为布拉格光栅光栅周期。并且布拉格光栅提供反馈,将正向波与反向波进行耦合。
所述III-V族谐振腔在电注入的情况下激射出激光,激光通过倾斜端面从水平方向激振被反射至垂直向下输出。
在本发明的一优选实施例中,谐振腔1非斜面反射镜的端面为自然解理或者镀高反膜。
在本发明的一优选实施例中,在缓冲层12和量子阱有源区13之间还依序包括腐蚀停止层、第一间隔层和第一分别限制层(图中未示出)。在量子阱有源区13和光栅层14之间还依序包括第二分别限制层、第二间隔层(图中未示出)。
如图2所示,在本发明的一优选实施例中,谐振腔1具有刻蚀形成的向外凸出的脊16。
在一可选的实施例中,缓冲层12材料可以为InP,掺杂浓度为0.7-2×1018/cm3,成指数变化。
所述腐蚀停止层材料可以为InGaAsP,厚度为10nm,掺杂浓度为0.7×1018/cm3。
所述第一间隔层材料可以为P-InP,厚度为50nm,掺杂浓度为0.7×1018/cm3。
所述第一分别限制层材料可以为InGaAsP,厚度为100nm,不掺杂。
所述量子阱有源区13材料可以为InGaAsP,量子阱包含6个阱和7个垒,每个阱厚度为5nm,每个垒厚度为10nm,不掺杂。
所述第二分别限制层材料可以为InGaAsP,厚度为100nm,不掺杂。
所述第二间隔层材料可以为N-InP,厚度为50nm,掺杂浓度为0.5×1018/cm3。
所述光栅层14材料可以为N-InGaAsP,厚度为40nm,掺杂浓度为0.5×1018/cm3。
所述上包层15材料可以为InP,厚度为2um,掺杂浓度为0.5-1×1018/cm3。
需要说明的是,以上谐振腔各层的材料、厚度以及掺杂浓度等相关参数仅是列举的一具体实例,并不对本发明的保护范围加以限制,其可以根据实际的设计要求进行改变。
硅基波导2自上而下依次包括波导层23、第一掩埋氧化层24、反射层22、第二掩埋氧化层25和硅衬底26。波导层23的上表面设置有二阶光栅20和一阶光栅21,二阶光栅20的位置正对于谐振腔1沿垂直方向的第二光路输出激光束的位置,使谐振腔1沿垂直方向的第二光路输出的激光束可以照射于二阶光栅20。二阶光栅20将沿垂直方向照射于其上的激光束反射为沿右向的第三光路、沿左向的第四光路传播的激光束和沿垂直方向透射的激光束。一阶光栅10位于二阶光栅20的左侧,可以将二阶光栅20沿左向的第四光路传播的激光束反射,以使其沿右向的第三光路统一输出。沿垂直方向透射的激光束,可以被二阶光栅20下方的反射层22反射,以将从二阶光栅20透射的激光束沿反向反射回二阶光栅20。参照上述对二阶光栅20和一阶光栅10的说明,二阶光栅20在收到从反射层20反射回的激光束后,将其反射为沿右向的第三光路、沿左向的第四光路传播的激光束,而沿左向的第四光路传播的激光束被一阶光栅10反射,以使其沿右向的第三光路统一输出。
本实施例通过在硅基波导上设置一阶光栅、二阶光栅和反射层,可以使激光器耦合至硅基波导的激光束统一由硅基波导的一侧输出,减少了激光束耦合至硅基波导的损耗,提高了耦合效率。
如图3所示,在一实施例中硅基波导2输出端波导宽度逐渐减小,其从波导宽度W1减小至波导宽度W2。
在一可选的实施例中,波导层23的材料为Si,宽度可以为4um、厚度为220nm。
第一掩埋氧化层24和第二掩埋氧化层25的材料为SiO2,厚度分别为0.65um和0.9um。
反射层22可以为两对Si/SiO2的反射镜(DBR)自上而下依次为分别为0.15um厚的Si、SiO2和Si。
硅衬底26的厚度可以为20mm。
以上硅基波导各层的材料和尺寸等相关参数仅是列举的一具体实例,并不对本发明的保护范围加以限制,其可以根据实际的设计要求进行改变。
由于谐振腔1输出的激光束是以垂直耦合的形式与硅基波导2耦合,其耦合效率并不会受限于谐振腔1和硅基波导2垂直方向上的距离。因此,谐振腔1和硅基波导2之间允许有一空气间隙,从而可以通过焊接层4将谐振腔1倒装焊接于硅基波导2上,谐振腔1的腔长方向与硅基波导2延伸方向一致。比起谐振腔和硅基波导以键合工艺连接的方案,制作工艺更加简单。
上述实施例的硅基波导2是在硅衬底26上生产掩埋氧化层24、25与波导层23,再分别将光栅结构与硅波导形状刻蚀出来,而得到上述硅基波导结构。
上述实施例的谐振腔1是在InP衬底上生长III-V族结构,依次生长缓冲层、腐蚀停止层、第一间隔层、第一分别限制层、量子阱有源区、第二分别限制层、第二间隔层和光栅层,并通过光刻刻蚀出光栅的形貌,再通过二次外延形成上包层。将III-V族结构一侧刻蚀出斜槽并进行解理。将III-V族结构倒装焊接在SOI芯片上。移除III-V族结构的衬底,并将移除衬底一侧刻蚀出脊与电级的形貌,并制作电极。
图4A-4D为对本公开实施例的光模块进行2D FDTD的仿真结果示意图。
如图4A为一模式光输入III-V族谐振腔中;图4B为输入光被斜面反射镜反射至垂直向下传播;图4C为部分光耦合进入Si波导,部分光透射过去被DBR反射;图4D为部分光向左传播被一阶光栅反射,部分光向右传播。
谐振腔1的倾斜端面10的角度α以及二阶光栅的刻蚀深度和光栅周期的选择会对激光束的耦合效率产生较大影响。
下面通过表1和表2展示使用2D FDTD对于该实例结构SOI二阶光栅刻蚀深度和斜面反射镜角度对于耦合效率的仿真结果:
表1
表1为每一组刻蚀深度下,扫描得到最佳二阶光栅周期以及最佳耦合效率。可以看到,在保证二阶光栅周期为该刻蚀深度下最优光栅周期的情况下,耦合效率随着刻蚀深度的增加,先增加,后降低,在刻蚀深度为0.11um时候达到最优,为76.0%的耦合效率。
表2
角度 | 光栅周期/um | 耦合效率 |
42 | 0.641 | 0.694 |
43 | 0.641 | 0.756 |
44 | 0.635 | 0.792 |
45 | 0.634 | 0.760 |
46 | 0.631 | 0.694 |
表2为每一组斜面反射镜角度下,扫描得到最佳二阶光栅周期以及最佳耦合效率。可以得到在44度斜面反射镜角度下,有最高的耦合效率为79.2%。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是,本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法;相反,本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。
Claims (10)
1.一种光模块,其特征在于,包括:
激光器,包括谐振腔,所述谐振腔的一侧具有倾斜端面,用于反射所述谐振腔沿水平方向的第一光路发出的激光束,使所述激光束沿垂直方向的第二光路输出;以及
硅基波导,所述硅基波导的上表面设置有第一光栅,用于反射由所述第二光路输出的所述激光束;
其中,所述激光器设置在所述硅基波导的上表面,将所述第二光路输出的所述激光束耦合至所述第一光栅,并通过所述第一光栅将所述第二光路输出的所述激光束沿水平方向的光路输出。
2.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述第一光栅反射的激光束沿水平方向相反的第三光路和第四光路输出;所述硅基波导的上表面还设置有第二光栅,通过所述第二光栅的反射将所述第四光路输出的激光束沿所述第三光路输出。
3.如权利要求2所述的光模块,其特征在于,所述硅基波导包括硅衬底和波导层,所述波导层设置于所述硅衬底上,所述第一光栅和所述第二光栅间隔设置在所述波导层的上表面,所述硅衬底和所述波导层之间设置有反射层,通过所述反射层使透过所述第一光栅的激光束回射至所述第一光栅,以沿所述第三光路输出。
4.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述第一光栅的刻蚀深度为0.07-0.17um,所述第一光栅的光栅周期为0.579-0.721um。
5.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述谐振腔还具有底面,所述倾斜端面和所述底面之间呈一角度,所述角度为42-46度。
6.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述硅基波导为SOI波导,所述激光器为III-V族激光器。
7.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述谐振腔还具有底面,所述谐振腔的底面焊接在所述硅基波导的上表面,所述第一光栅与所述谐振腔的所述底面之间具有间隙。
8.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述谐振腔依次包括缓冲层、腐蚀停止层、第一间隔层、第一分别限制层、量子阱有源区、第二分别限制层、第二间隔层、光栅层和上包层。
9.如权利要求8所述的光模块,其特征在于,所述缓冲层材料为InP、所述腐蚀停止层材料为InGaAsP、所述第一间隔层材料为P-InP、所述第一分别限制层材料为InGaAsP、所述量子阱有源区3材料为InGaAsP、所述第二分别限制层材料为InGaAsP、所述第二间隔层材料为N-InP、所述光栅层材料为N-InGaAsP、所述上包层材料为InP。
10.如权利要求1所述的光模块,其特征在于,所述硅基波导包括波导层、第一掩埋氧化层、反射层、第二掩埋氧化层和硅衬底。
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