CN110515157B - 一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器，其中波导包括：多模波导，所述多模波导上依次以串联的方式制作有相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅；其中，所述多模波导支持横向电场基模和一阶模；所述相移反对称布拉格光栅的相移值为0～2π。利用本发明提供的波导制作的片上集成窄线宽反射器具有反射率较高、尺寸较小、线宽较窄等优点，综合性能好。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更具体的说是涉及一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器。
背景技术
光通信网络是当前通讯系统的底层物理基础。随着社会对带宽需求的急剧增长，现有通过分立光电器件组建的系统因体积庞大、功耗大、系统冗杂、成本高等原因越加难于支撑。现在光通讯网络器件逐渐向芯片化、集成化发展。光子集成芯片技术将多个单元光子芯片集成在一起，具有结构紧凑、功耗小、大带宽等突出优点，被认为是现有光通信网络技术瓶颈的主流技术趋势。
窄线宽反射器是光子集成领域内的一个重要器件。它最为重要的应用是作为窄线宽或可调谐半导体激光器芯片的外腔反馈器件，来压窄激光器激射光的线宽或调谐激光器的激射波长。此外还窄线宽反射器可应用于传感器件等。最常见的片上集成窄线宽反射器是波导布拉格光栅。波导布拉格光栅通过在波导上刻蚀周期性的结构，从而实现折射率的周期性调制。其结果是位于布拉格波长的光会在光栅中发生强烈耦合并被反射。根据耦合模理论，为了能够得到窄线宽的反射峰，波导布拉格光栅需要长的腔长和小的耦合系数。刻蚀在侧壁的波导布拉格光栅是最为常见的波导布拉格光栅，因为该种结构只需要一步光刻和刻蚀。然而，在如硅和氮化硅等材料的波导上，由于光场被强烈限制在波导内，侧壁波导布拉格光栅的耦合系数往往很大。因此，用波导布拉格光栅实现较窄线宽反射非常困难，且器件的尺寸会比较大。另一种常见的窄线宽反射器是基于微型环形谐振腔的反射器。该结构通过微型环形谐振腔内的缺陷，由正向循环的谐振模式激发反向循环的谐振模式，从而在主波导中造成反射峰。该结构尺寸较小，且因为品质因子较高，其反射峰的线宽较窄。然而由于难以控制正向和反向循环的谐振模式之间的耦合系数，该结构的反射率一般较低。综上所述，制作反射率较高、尺寸较小、线宽较窄的片上集成反射器仍没有较好的解决方案。
因此，如何制作出综合性能更优的片上集成反射器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器，解决片上集成窄线宽反射器存在的反射率较低、尺寸较大、线宽不够窄等问题，综合性能更优。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种片上集成窄线宽反射器波导，包括：多模波导，所述多模波导上依次以串联的方式制作有相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅；
其中，所述多模波导支持横向电场基模和一阶模；所述相移反对称布拉格光栅的相移值为0～2π。
优选的，还包括：单模波导和梯形波导；所述单模波导、所述梯形波导和所述多模波导依次连接。
优选的，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅制作于多模波导的表面、侧壁或者上包层上。
优选的，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅通过切趾实现，所述切趾方法为以下至少一种：
改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿波导方向变化；
改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列光栅，使两列光栅的相位差沿波导方向变化。
优选的，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅通过取样光栅和等效切趾取样布拉格光栅实现；其中，所述等效切趾取样布拉格光栅实现方法为以下至少一种：
改变取样结构的占空比，根据切趾函数，使取样结构的占空比沿波导方向变化；
改变取样光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列取样光栅，使两列取样光栅的取样结构的相位差沿波导方向变化。
优选的，所述相移反对称布拉格光栅的相移值为π。
优选的，所述相移反对称布拉格光栅的相移采用以下任意一种方式实现：
在反对称布拉格光栅中间插入相移；
采用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅。
一种片上集成窄线宽反射器，包括：由底部到顶部依次连接的衬底、下包层和上包层，在所述下包层和上包层之间制作有所述片上集成窄线宽反射器波导。
优选的，还包括：温度控制电路，所述温度控制电路安装于波导的上包层，用于调节所述片上集成窄线宽反射器的温度，进而调节所述片上集成窄线宽反射器反射波长。
优选的，片上集成窄线宽反射器制作在硅、二氧化硅、氮化硅、聚合物和III-V族材料的外延片上，作为单片集成或混合集成的半导体激光器的外腔反馈器件。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种片上集成窄线宽反射器波导及其反射器，能够达到如下技术效果：
利用相移反对称布拉格光栅这一谐振腔结构，与基于波导布拉格光栅的片上集成窄线宽反射器相比，可以极大缩短片上集成窄线宽反射器的腔长，并压窄线宽，从而得到尺寸较小、线宽较窄的反射器；
利用均匀布拉格光栅作为TE0模式的反射器，与基于环形谐振腔的片上集成窄线宽反射器相比，可以提高整个片上集成窄线宽反射器的反射率；
利用相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅，与基于环形谐振腔的片上集成窄线宽反射器相比，光通过了两次谐振腔，反射线宽进一步变窄。
综上，本发明提供的片上集成窄线宽反射器具有反射率较高、尺寸较小、线宽较窄等优点，综合性能好。
此外，本发明制作简单，仅需要一步光刻和刻蚀，可降低片上集成窄线宽反射器的制作成本，提高制作精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的片上集成窄线宽反射器的波导横截面示意图；
图2为本发明提供的片上集成窄线宽反射器的结构示意图；
图3为本发明提供的光栅制作位置的示意图；
图4为本发明提供的利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图；
图5为本发明提供的与片上集成窄线宽反射器混合集成的窄线宽激光器结构示意图；
图6为本发明提供的与片上集成窄线宽反射器单片集成的窄线宽激光器结构示意图；
图7为本发明提供的与片上集成窄线宽反射器中实施例中取样光栅的示意图；
图8为本发明提供的制作取样布拉格光栅的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
传统方式的片上集成窄线宽反射器一般使用长度较长，耦合系数较小的布拉格光栅或环形谐振腔实现。布拉格光栅反射率较高，但尺寸较大，线宽不够窄。环形谐振腔尺寸较小，线宽较窄，但是反射率较低。本发明提供的片上集成窄线宽反射器，通过相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅得到TE0模式的窄线宽反射光，并通过单模波导使不需要的TE1模式的光辐射掉，从而得到单一TE0模式的窄线宽反射光。该器件结合了布拉格光栅反射率高和谐振腔结构线宽窄、尺寸小的优点，具体方案如下：
参见附图2，本发明实施例公开了一种片上集成窄线宽反射器波导，包括：多模波导，多模波导上依次以串联的方式制作有相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅；
其中，多模波导支持横向电场基模和一阶模；相移反对称布拉格光栅的相移值为0～2π。
其中，相移反对称布拉格光栅用于实现TE0模的窄线宽透射，均匀布拉格光栅用于实现TE0模的反射，进而实现TE0模的窄线宽单反射峰的光谱响应。优选的，相移反对称布拉格光栅的相移值为π。
参见附图2，为了进一步优化上述技术方案，还包括：单模波导和梯形波导；单模波导、梯形波导和多模波导依次连接。其中，单模波导用于辐射反射光中的TE1模；梯形波导用于连接单模波导和多模波导。
参见附图3，为了进一步优化上述技术方案，相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅制作于多模波导的表面、侧壁或者上包层上。
参见附图4，为了进一步优化上述技术方案，相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅通过切趾实现，切趾方法为以下至少一种：
改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿波导方向变化；
改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列光栅，使两列光栅的相位差沿波导方向变化。
参见附图7，为了进一步优化上述技术方案，相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅通过取样光栅和等效切趾取样布拉格光栅实现；其中，等效切趾取样布拉格光栅实现方法为以下至少一种：
改变取样结构的占空比，根据切趾函数，使取样结构的占空比沿波导方向变化；
改变取样光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列取样光栅，使两列取样光栅的取样结构的相位差沿波导方向变化。
为了进一步优化上述技术方案，相移反对称布拉格光栅的相移采用以下任意一种方式实现：
在反对称布拉格光栅中间插入相移；
采用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅。
此外，参见附图2、5和附图6，本发明实施例还公开了一种片上集成窄线宽反射器，包括：由底部到顶部依次连接的衬底、下包层和上包层，在下包层和上包层之间制作有片上集成窄线宽反射器波导。
为了进一步优化上述技术方案，还包括：温度控制电路，温度控制电路安装于波导的上包层，用于调节片上集成窄线宽反射器的温度，进而调节片上集成窄线宽反射器反射波长。
为了进一步优化上述技术方案，片上集成窄线宽反射器制作在硅、二氧化硅、氮化硅、聚合物和III-V族材料的外延片上，作为单片集成或混合集成的半导体激光器的外腔反馈器件。
下面结合附图，对本发明提供的技术方案做进一步阐述。
图1是本发明提供的片上集成窄线宽反射器的波导横截面结构示意图，包括：衬底101，下包层102，波导103和上包层104。
器件的外延结构描述如下：SiO2绝缘层位于硅衬底上，在SiO2绝缘层上面再增加一层220nm厚的单晶硅层，形成硅衬底—SiO2绝缘层—单晶硅组成的三明治结构。该结构被称为绝缘衬底上的硅(SOI)。SOI晶圆一般由智能剥离技术(Smart-cut)制作。其原理是利用H+或者He+注入在硅衬底中形成注入层，将注氢片与另一支撑片键合，其中两片中至少有一片表面有一层热氧化的SiO2层。经过适当的处理后，使注氢片从离子注入层完整分裂，形成SOI结构。然后对晶圆表面进行抛光处理，再使用外延的方式达到所需要的顶层硅厚度。此外，SOI晶圆还可以由注氧隔离技术(SIMOX)和键合技术(Wafer Bonding)制备。之后，在SOI晶圆上使用深紫外光刻或电子束光刻的方法制作出波导和光栅结构，然后在晶圆上生长一层厚度为2μm的SiO2作为波导的上包层。
参见附图2，一种片上集成窄线宽反射器，整体结构具体如图2所示，其中包括：单模波导201、梯形波导202、侧壁刻有反对称布拉格光栅的多模波导203、侧壁刻有均匀布拉格光栅的多模波导204和π相移205。入射光为TE0模式，经过单模波导及梯形波导后进入多模波导，在相移反对称布拉格光栅中发生谐振，并伴随着前向的TE0模式和反向的TE1模式的相互耦合。在谐振的波长处会形成一个TE0模式的窄线宽透射峰，该透射峰的TE0模式在后面的均匀布拉格光栅处发生反射，变为反向的TE0模式。反向的TE0模式再次通过相移反对称布拉格光栅、梯形波导和单模波导，形成所需的窄线宽的反射峰。其他波长的反向的TE1模式经过梯形波导进入单模波导后变为辐射模，会在单模波导中呈指数快速衰减，因而不会对反射峰产生影响。
这里需要说明的是，在本发明提供的实施例中，相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅可以制作在波导表面301(请参见附图3中的(1))、波导侧壁302(请参见附图3中的(2))和波导的上包层104上(请参见附图3中的(3))。
图1和图2所示的实施例中，光波导为条形波导结构，即光被限制在横截面为矩形的硅波导区域中。单模波导的宽度为400nm，高度为220nm；多模波导的宽度为837nm，高度为220nm；侧壁光栅的刻蚀齿深为40nm；相移反对称布拉格光栅的长度为150μm，周期为315nm；均匀布拉格光栅的长度为200μm，周期为287nm。实施例中的光波导和侧壁光栅是通过一步光刻和刻蚀制造的，制造工艺与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容。光刻的目的是将掩膜版的图形转移到硅片表面的光刻胶上。该步骤可以通过深紫外曝光来印制掩膜版的图像，首先对硅片进行预处理、涂胶、甩胶烘干，然后将涂胶的硅片送入光刻机进行曝光。完成后，硅片进行显影，随后清洗硅片并在此烘干。刻蚀的目的是将硅片表面的光刻胶上的图形转移到硅片上。该步骤可以通过电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀或基于化学反应的湿法刻蚀的方法进行刻蚀。刻蚀结束后利用去胶机用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。此外，还可以通过电子束曝光的技术进行光刻，首先在硅片上涂一层均匀的电子束光刻胶，常见的为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后使用电子束曝光技术，使电子束在光刻胶上扫描并通过改变电子束的曝光量，在光刻胶上形成所需波导图案。
这里需要说明的是，光刻和刻蚀的具体工艺是成熟技术。还需要说明的是，波导的宽和高均指的是横截面的那个矩形，水平方向为宽，垂直方向为高。
相移反对称布拉格光栅的相移值为π，一般情况下，相移的位置均在中间部位。相移结构可以用均匀布拉格光栅实现，同样可以用取样布拉格光栅来等效实现，即：光栅结构的取样结构存在相移，相移值为π。
由于存在π相移结构，相移反对称光栅结构作为分布反馈谐振腔提供谐振压窄透射谱线宽，而均匀布拉格光栅作为布拉格反射镜。相移反对称光栅TE0和TE1模式耦合的布拉格波长与均匀布拉格光栅的TE0和TE0模式耦合的布拉格波长是相等的。
图4为利用不同方法实现切趾布拉格光栅的示意图。相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅均可以采用切趾的方法抑制透射谱和反射谱中的旁瓣，从而提高片上集成窄线宽反射器的反射主峰与其它旁瓣的抑制比。切趾可以通过改变光栅占空比401，改变光栅宽度402，使用两列光栅403来实现。具体地，
切趾布拉格光栅为光栅耦合系数沿腔长变化的布拉格光栅。它可以提供更好的旁瓣抑制比，其实现方式有以下几种：
改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿波导方向变化；
改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列光栅，使两列光栅的相位差沿波导方向变化。
如图5所示，本发明所提供的片上集成窄线宽反射器可作为外腔反馈器件用于混合集成的窄线宽激光器。增益芯片501和片上集成窄线宽反射器通过模斑转换器502相互耦合。为形成谐振回路，增益芯片的出光端需镀有反射膜，另一端需镀有抗反射膜。在片上集成窄线宽反射器上有一热电极503用来调节光的相位，以使得布拉格波长的光满足相位匹配条件，形成激射。
如附图6所示，本发明所提供的片上集成窄线宽反射器可作为外腔反馈器件用于单片集成的窄线宽激光器。整个芯片分为有源区601和无源区602，片上集成窄线宽反射器位于无源区。有源区提供光增益，出光端需镀有反射膜。而无源区没有光增益或损耗，可通离子注入的方式实现。当片上集成窄线宽反射器用于单片集成窄线宽激光器时，相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅可以用取样光栅来等效实现，从而达到降低成本的目的。
图7为取样相移反对称布拉格光栅701和普通取样布拉格光栅702的示意图。取样光栅对应的等效光栅的光栅周期由种子光栅周期和取样周期决定，改变取样周期就可以改变等效光栅的工作波长。进一步地，也可以使用取样光栅等效实现切趾，可以通过改变光栅宽度，改变光栅光栅宽度，使用两列光栅来实现。具体地，其实现方式包括以下几种：
改变取样结构的占空比，根据切趾函数，使取样结构的占空比沿波导方向变化；
改变取样光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列取样光栅，使两列取样光栅的取样结构的相位差沿波导方向变化。
取样光栅及用于等效切趾的取样光栅制作方法如图8所示：
步骤I、在光刻板(掩膜版)上设计并制作取样图案，然后使用全息曝光技术在光刻胶上形成均匀的光栅图案；
步骤II、使用具有取样图案的光刻板进行普通曝光，把该光刻板的图案复制到晶片光刻胶上，即在光刻胶上形成取样图案，之后再腐蚀晶片在晶片上形成相应的光栅图案。两个步骤的曝光顺序可以根据工艺互换。
需要说明的是，本发明中可以用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅来代替均匀布拉格光栅或切趾布拉格光栅。即，使用取样布拉格光栅或者等效切趾取样布拉格光栅是一种特殊的方法，有益效果在于成本降低。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种片上集成窄线宽反射器波导，其特征在于，包括：单模波导、梯形波导和多模波导，所述单模波导、所述梯形波导和所述多模波导依次连接，且所述多模波导上依次以串联的方式制作有相移反对称布拉格光栅和均匀布拉格光栅；
其中，所述多模波导支持横向电场基模和一阶模；所述相移反对称布拉格光栅的相移值为0～2π；
其中，所述相移反对称布拉格光栅的相移采用以下任意一种方式实现：
在反对称布拉格光栅中间插入相移；
采用平面波导摩尔光栅，即两列具有微小光栅周期差的波导光栅。
2.根据权利要求1所述的一种片上集成窄线宽反射器波导，其特征在于，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅制作于多模波导的表面、侧壁或者上包层上。
3.根据权利要求1所述的一种片上集成窄线宽反射器波导，其特征在于，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅通过切趾实现，所述切趾方法为以下至少一种：
改变光栅占空比，根据切趾函数，使光栅占空比沿波导方向变化；
改变光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列光栅，使两列光栅的相位差沿波导方向变化。
4.根据权利要求1所述的一种片上集成窄线宽反射器波导，其特征在于，所述相移反对称布拉格光栅和所述均匀布拉格光栅通过取样光栅和等效切趾取样布拉格光栅实现；其中，所述等效切趾取样布拉格光栅实现方法为以下至少一种：
改变取样结构的占空比，根据切趾函数，使取样结构的占空比沿波导方向变化；
改变取样光栅宽度，根据切趾函数，使光栅宽度沿波导方向变化；
使用两列取样光栅，使两列取样光栅的取样结构的相位差沿波导方向变化。
5.根据权利要求1或2所述的一种片上集成窄线宽反射器波导，其特征在于，所述相移反对称布拉格光栅的相移值为π。
6.一种片上集成窄线宽反射器，其特征在于，包括：由底部到顶部依次连接的衬底、下包层和上包层，在所述下包层和上包层之间制作有权利要求 1～5任意一项所述片上集成窄线宽反射器波导。
7.根据权利要求6所述的一种片上集成窄线宽反射器，其特征在于，还包括：温度控制电路，所述温度控制电路安装于波导的上包层，用于调节所述片上集成窄线宽反射器的温度，进而调节所述片上集成窄线宽反射器反射波长。
8.根据权利要求6或7所述的一种片上集成窄线宽反射器，其特征在于，片上集成窄线宽反射器制作在硅、二氧化硅、氮化硅、聚合物和III-V族材料的外延片上，作为单片集成或混合集成的半导体激光器的外腔反馈器件。
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