基于SOI和III-V半导体的混合集成可调谐激光器的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器技术领域1.本发明属于半导体光电子器件领域，涉及一种基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器。背景技术：2.随着人们对信息和通信要求的不断提高，可调谐激光器逐渐成为光通信系统中不可缺少的器件。它不但可以应用在波分复用系统中作为备份的光源来节约维修时间和成本，而且可以应用在通信系统中任何需要波长转变的地方，如波分复用系统中的数据路由、可重构光通信网络等。3.可调谐激光器目前主要应用场景为长距骨干网的密集型光波复用(dwdm：dense wavelength division multiplexing)相干光通信系统，即能组合一组光波长用一根光纤进行传送，以用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。dwdm需要c波段80波/96波的频率间隔为50ghz的激光光源作为载波，目前的解决方案采用一个可调谐激光器来实现80波/96波中的任一波长激射，以避免生产制造80个或96个实现不同激射波长的激光器。4.可调谐激光器在inp基单片集成技术领域，已在国内外得到广泛应用。近年来，随着硅基光子学的发展，硅光子集成技术由于和cmos工艺线有天然的兼容性、硅与二氧化硅之间折射率差大等优势，可以把器件做得十分紧凑并且成本较低。5.因此，提供一种基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，实属必要。技术实现要素：6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，以将可调谐激光器与硅基soi进行结合。7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，所述可调谐激光器包括：8.soi半导体结构，所述soi半导体结构中设置有soi波导，所述soi波导包括第一soi波导及第二soi波导，且所述第一soi波导及所述第二soi波导相交构成交叉soi波导区，且以所述soi交叉波导区为交点，所述第一soi波导及所述第二soi波导按顺时针方向依次划分为第一soi波导臂、第二soi波导臂及第三soi波导臂；其中，在所述第一soi波导臂上设置有第一soi波长选择反射区，在所述第二soi波导臂上设置有第二soi波长选择反射区，在所述第三soi波导臂上设置有端面反射区；9.iii-v族半导体结构，所述iii-v族半导体结构位于所述soi半导体结构上方，且所述iii-v族半导体结构包括位于所述第三soi波导臂上，且在所述端面反射区与所述soi交叉波导区之间依次设置的第一波导耦合区、iii-v波导增益区及第二波导耦合区；以及位于所述第二soi波导臂上，且在所述第二soi波长选择反射区与所述soi交叉波导区之间设置的第三波导耦合区；以及位于所述第三soi波导臂、所述第二soi波导臂及部分所述soi交叉波导区上方，且与所述第二波导耦合区及所述第三波导耦合区相连通的iii-v族转镜区。10.可选地，所述第一soi波导及所述第二soi波导呈t字形或十字形相交设置。11.可选地，所述第一soi波导及所述第二soi波导之间的夹角范围为30°～120°。12.可选地，所述iii-v波导增益区作为所述可调谐激光器的受激辐射增益发光区以受激辐射光，所述端面反射区作为所述可调谐激光器的主出射腔面，所述第一soi波长选择反射区及所述第二soi波长选择反射区作为所述可调谐激光器的次出射腔面。13.可选地，所述可调谐激光器中激光产生回程干涉的传输路径包括：所述iii-v波导增益区受激辐射，部分光向所述第一波导耦合区传输，通过所述第三soi波导臂传输至所述端面反射区，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区，并传输至所述第二波导耦合区，部分光通过所述soi交叉波导区传输至所述第一soi波长选择反射区，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区，且在所述第二波导耦合区中没有耦合到所述第三soi波导臂的光传输至所述iii-v族转镜区，并反射至所述第三波导耦合区，传输至所述第二soi波长选择反射区，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区；其中，经所述第一soi波长选择反射区及所述第二soi波长选择反射区反射回到所述iii-v波导增益区的两路光在所述iii-v波导增益区合并，完成一个激光产生回程干涉传输。14.可选地，通过所述第一soi波长选择反射区及所述第二soi波长选择反射区控制反射回所述iii-v波导增益区的特定光波长，以在所述iii-v波导增益区处叠加，实现在所述iii-v波导增益区产生的光谱增益范围内只有一个波长最快达到激射阈值，实现选择性激射。15.可选地，所述iii-v族半导体结构包括inp基半导体结构、gaas基半导体结构及gasb基半导体结构中的一种。16.可选地，所述iii-v族半导体结构通过倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长的方式集成在所述soi半导体结构上。17.可选地，所述第一soi波长选择反射区和所述第二soi波长选择反射区包括对特定光传输波长具有一定通带宽度反射的无源光波导元件，所述无源光波导元件包括dbr光栅、微环、马赫曾德干涉仪，或与波长相关的方向耦合器。18.可选地，所述可调谐激光器包括应用于光纤通信的o波段、或c波段、或是l波段中中任一波长激射的可调谐激光器。19.可选地，位于所述iii-v族波导增益区下方的soi波导的结构与尺寸与位于所述第一波导耦合区、第二波导耦合区下方的soi波导的结构与尺寸相同或者不同，以根据实际器件性能需要实现上方的所述iii-v半导体结构与下方的soi波导不同的垂直光耦合效果的控制。20.可选地，所述第三波导耦合区下方的soi波导的结构与尺寸与位于所述第二soi波导臂上的其它soi波导的结构与尺寸相同或者不同。21.如上所述，本发明的基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，包括soi半导体结构及iii-v族半导体结构，soi半导体结构中设置第一soi波导及第二soi波导，第一soi波导及第二soi波导相交构成交叉soi波导区，且以soi交叉波导区为交点按顺时针方向依次包括第一soi波导臂、第二soi波导臂及第三soi波导臂；第一soi波导臂上设置有第一soi波长选择反射区，第二soi波导臂上设置有第二soi波长选择反射区，第三soi波导臂上设置有端面反射区；iii-v族半导体结构包括位于第三soi波导臂上且在端面反射区与soi交叉波导区之间依次设置的第一波导耦合区、iii-v波导增益区及第二波导耦合区；以及位于第二soi波导臂上，且在第二soi波长选择反射区与soi交叉波导区之间设置的第三波导耦合区；以及位于第三soi波导臂、第二soi波导臂及部分soi交叉波导区上方，且与第二波导耦合区及第三波导耦合区相连通的iii-v族转镜区。本发明将soi半导体结构与iii-v族半导体结构相结合，可分别利用iii-v半导体实现有源增益的功能，以及硅光子基于集成电路平台先进工艺制备能力，从而对可调谐激光器各部分的功能区进行相对独立的控制，以提供尺寸小、易集成、成本低，宽波段波长调谐的可调谐激光器，且使得可调谐激光器在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。附图说明22.图1显示为本发明实施例中基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器的结构示意图。23.元件标号说明24.101ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一soi波导25.102ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二soi波导26.103ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ交叉soi波导区27.104ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一soi波长选择反射区28.105ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二soi波长选择反射区29.106ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ端面反射区30.107ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一波导耦合区31.108ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀiii-v波导增益区32.109ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二波导耦合区33.110ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀiii-v族转镜区34.111ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第三波导耦合区35.121ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一soi波导臂36.122ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二soi波导臂37.123ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第三soi波导臂38.124ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第四soi波导臂具体实施方式39.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。40.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。41.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。42.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。43.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。44.如图1所示，本实施例提供一种基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，所述可调谐激光器包括soi半导体结构及iii-v族半导体结构，所述iii-v族半导体结构位于所述soi半导体结构上方。在所述soi半导体结构中设置有soi波导，所述soi波导包括第一soi波导101及第二soi波导102，且所述第一soi波导101及所述第二soi波导102相交构成交叉soi波导区103，且以所述soi交叉波导区103为交点，所述第一soi波导101及所述第二soi波导102按顺时针方向依次划分为第一soi波导臂121、第二soi波导臂122及第三soi波导臂123；其中，在所述第一soi波导臂121上设置有第一soi波长选择反射区104，在所述第二soi波导臂122上设置有第二soi波长选择反射区105，在所述第三soi波导臂123上设置有端面反射区106；所述iii-v族半导体结构包括位于所述第三soi波导臂123上，且在所述端面反射区106与所述soi交叉波导区103之间依次设置的第一波导耦合区107、iii-v波导增益区108及第二波导耦合区109；以及位于所述第二soi波导臂122上，且在所述第二soi波长选择反射区105与所述soi交叉波导区103之间设置的第三波导耦合区111；以及位于所述第三soi波导臂123、所述第二soi波导臂122及部分所述soi交叉波导区103上方，且与所述第二波导耦合区109及所述第三波导耦合区111相连通的iii-v族转镜区110。45.本实施例将所述soi半导体结构与所述iii-v族半导体结构相结合，可分别利用iii-v半导体实现有源增益的功能，以及硅光子基于集成电路平台先进工艺制备能力，对所述调谐激光器各部分的功能区进行相对独立的控制，以提供尺寸小、易集成、成本低，宽波段波长调谐的可调谐激光器，且使得所述可调谐激光器在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。46.作为示例，所述第一soi波导101及所述第二soi波导102呈t字形或十字形相交设置。47.具体的，如图1，本实施例中，所述第一soi波导101及所述第二soi波导102采用十字形相交设置，且为进一步的提高所述可调谐激光器的应用便捷性及性能，优选所述第一soi波导101及所述第二soi波导102垂直交叉设置，即所述第一soi波导101及所述第二soi波导102垂直相交后，以所述soi交叉波导区103为交点，所述第一soi波导101及所述第二soi波导102按顺时针方向依次划分为位于东侧的第一soi波导臂121、位于南侧的第二soi波导臂122、位于西侧的第三soi波导臂123及位于北侧的第四soi波导臂124，但并非局限于此，所述第一soi波导101及所述第二soi波导102也可呈t字形相交设置，且所述第一soi波导101及所述第二soi波导102之间的夹角范围可为30°～120°，如30°、60°、90°120°等。48.作为示例，所述iii-v族半导体结构可包括inp基半导体结构、gaas基半导体结构及gasb基半导体结构中的一种。49.具体的，本实施例中，所述iii-v族半导体结构采用inp基半导体结构，但并非局限于此，可根据需要进行选择。50.作为示例，所述iii-v族半导体结构通过倒装焊、正装焊、贴片封装、异质键合、异质转移或外延生长的方式集成在所述soi半导体结构上，具体形成方法可根据需要进行选择，此处不作过分限定。51.其中，有关soi波导及iii-v波导的制备此处不作限定，可根据需要进行选择。52.作为示例，所述iii-v波导增益区108作为所述可调谐激光器的受激辐射增益发光区以受激辐射光，所述端面反射区106作为所述可调谐激光器的主出射腔面，所述第一soi波长选择反射区104及所述第二soi波长选择反射区105作为所述可调谐激光器的次出射腔面。53.作为示例，在所述可调谐激光器中，激光产生回程干涉的传输路径包括：所述iii-v波导增益区108受激辐射，部分光向所述第一波导耦合区107传输，通过所述第三soi波导臂123传输至所述端面反射区106，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区108，并传输至所述第二波导耦合区109，部分光通过所述soi交叉波导区103传输至所述第一soi波长选择反射区104，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区108，且在所述第二波导耦合区109中没有耦合到所述第三soi波导臂123的光传输至所述iii-v族转镜区110，并反射至所述第三波导耦合区111，传输至所述第二soi波长选择反射区105，反射的光沿原路径回到所述iii-v波导增益区108；其中，经所述第一soi波长选择反射区104及所述第二soi波长选择反射区105反射回到所述iii-v波导增益区108的两路光在所述iii-v波导增益区108合并，完成一个激光产生回程干涉传输。54.其中，通过所述第一soi波长选择反射区104及所述第二soi波长选择反射区105控制反射回所述iii-v波导增益区108的特定光波长，以在所述iii-v波导增益区108处叠加，实现在所述iii-v波导增益区108产生的光谱增益范围内只有一个波长最快达到激射阈值，实现选择性激射。55.具体的，如图1，本实施例中，所述iii-v波导增益区108作为所述可调谐激光器的受激辐射增益发光区以受激辐射光，所述iii-v波导增益区108产生的受激辐射光，一部分光沿着iii-v波导层向旁边一侧的所述第一波导耦合区107传输，并在此区域完成从iii-v波导层向下方的soi波导层的光耦合传输，从而传输到位于下方的soi波导层的受激辐射光传输至所述端面反射区106，在所述端面反射区106中，一部分光从所述端面反射区106中透射，使得所述端面反射区106作为所述可调谐激光器的主出射腔面，一部分光则被所述端面反射区106反射并沿原路径回到所述iii-v波导增益区108中，并继续沿着该反射方向进入所述iii-v波导增益区108的另一侧的所述第二波导耦合区109，在此区域会有部分光从所述第二波导耦合区109中的iii-v波导层往下耦合到soi波导层，经过所述soi交叉波导区103传输至所述第一soi波长选择反射区104，在所述第一soi波长选择反射区104中，一部分光从所述第一soi波长选择反射区104中透射，使得所述第一soi波长选择反射区104作为所述可调谐激光器的次出射腔面，一部分光则被所述第一soi波长选择反射区104反射并沿原路径返回所述iii-v波导增益区108中，且在所述第二波导耦合区109中没有有往下耦合到soi波导的光继续沿着iii-v光波导层传输，进入所述iii-v族转镜区110，并被反射至所述第二soi波导臂122的方向，进入iii-v波导与soi波导的耦合区，即所述第三波导耦合区111，进入所述第三波导耦合区111的光会从iii-v波导层耦合至下方的soi波导层并继续传输至所述第二soi波长选择反射区105，在所述第二soi波长选择反射区105中，一部分光从所述第二soi波长选择反射区105中透射，使得及所述第二soi波长选择反射区105也可作为所述可调谐激光器的次出射腔面，所述第二soi波长选择反射区105的一部分光则被反射沿原路返回至所述iii-v波导增益区108中，其中，被所述第一soi波长选择反射区104及所述第二soi波长选择反射区105反射回到所述iii-v波导增益区108的两路光在所述iii-v波导增益区108合并，完成一个激光产生回程干涉传输。56.其中，通过所述第一soi波长选择反射区104及所述第二soi波长选择反射区105控制反射回所述iii-v波导增益区108中的特定光波长，以在所述iii-v波导增益区108处叠加，从而实现在所述iii-v波导增益区108产生的光谱增益范围内只有一个波长最快达到激射阈值，从而实现特定波长的选择性激射。57.作为示例，所述第一soi波长选择反射区104和所述第二soi波长选择反射区105包括对特定光传输波长具有一定通带宽度反射的无源光波导元件，所述无源光波导元件可包括dbr光栅、微环、马赫曾德干涉仪，或与波长相关的方向耦合器等，此处不作过分限制。58.作为示例，位于所述iii-v族波导增益区108下方的soi波导的结构与尺寸与位于所述第一波导耦合区107、第二波导耦合区109下方的soi波导的结构与尺寸相同或者不同，以根据实际器件性能需要实现上方的所述iii-v半导体结构与下方的soi波导不同的垂直光耦合效果的控制，具体可根据需要进行选择。59.作为示例，所述第三波导耦合区111下方的soi波导的结构与尺寸与位于所述第二soi波导臂122上的其它soi波导的结构与尺寸相同或者不同，具体可根据需要进行选择。60.作为示例，所述可调谐激光器包括应用于光纤通信的o波段即1260nm～1360nm、或c波段1530nm～1565nm、或是l波段1565nm～1625nm中任一波长激射的可调谐激光器。有关所述可调谐激光器的应用，可根据需要对所述soi半导体结构及所述iii-v族半导体结构进行适应性修改。61.综上所述，本发明的基于soi和iii-v半导体的混合集成可调谐激光器，包括soi半导体结构及iii-v族半导体结构，soi半导体结构中设置第一soi波导及第二soi波导，第一soi波导及第二soi波导相交构成交叉soi波导区，且以soi交叉波导区为交点按顺时针方向依次包括第一soi波导臂、第二soi波导臂及第三soi波导臂；第一soi波导臂上设置有第一soi波长选择反射区，第二soi波导臂上设置有第二soi波长选择反射区，第三soi波导臂上设置有端面反射区；iii-v族半导体结构包括位于第三soi波导臂上且在端面反射区与soi交叉波导区之间依次设置的第一波导耦合区、iii-v波导增益区及第二波导耦合区；以及位于第二soi波导臂上，且在第二soi波长选择反射区与soi交叉波导区之间设置的第三波导耦合区；以及位于第三soi波导臂、第二soi波导臂及部分soi交叉波导区上方，且与第二波导耦合区及第三波导耦合区相连通的iii-v族转镜区。62.本发明将soi半导体结构与iii-v族半导体结构相结合，可分别利用iii-v半导体实现有源增益的功能，以及硅光子基于集成电路平台先进工艺制备能力，对可调谐激光器各部分的功能区进行相对独立的控制，以提供尺寸小、易集成、成本低，宽波段波长调谐的可调谐激光器，且使得可调谐激光器在集成光电子领域和光通信领域有广阔的应用前景。63.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。









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