CN113285349A - 微环激光器阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微环激光器阵列及其制作方法，所述微环激光器阵列包括：绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；设置在所述绝缘体上硅上的多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：微环腔激光器以及波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；所述绝缘体上硅具有多个露出第一表面的器件区；所述器件区不交叠，用于设置所述微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；所述第二层硅材料包括多个相互独立的所述波导。本方案通过径向耦合锥形硅波导结构，可以实现激光的定向输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是涉及一种微环激光器阵列及其制作方法。
背景技术
目前硅基光互连正朝着Tb/s规模的吞吐量发展，以满足数据中心大量增加的流量需求。在大规模硅基光互连中，单片集成多波长激光器阵列(MWLAs)对于实现密集波分多路复用(DWDM)应用中的紧凑、低成本且可靠的激光源是非常有吸引力的。微环腔激光器具有阈值低、体积小、易集成和可动态模操作等特点，是DWDM系统中的高性能、低功耗的理想光源。但由于微环腔中严格的圆对称性和全内反射作用，限制了激光的定向输出，不能满足全光网络和光电子信息领域对半导体激光光源输出光功率的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微环激光器阵列及其制作方法，通过径向耦合锥形硅波导结构，可以实现激光的定向输出。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微环激光器阵列，所述微环激光器阵列包括：
绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；
设置在所述绝缘体上硅上的多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：微环腔激光器以及波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导与所对应微环腔激光器的有源区相对设置；所述第一方向为所述波导的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层；
所述第一层硅材料朝向所述第一二氧化硅层的表面为第一表面；所述绝缘体上硅具有多个露出所述第一表面的器件区；所述器件区不交叠，用于设置所述微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；
所述第二层硅材料包括多个相互独立的所述波导。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，所述微环腔激光器的几何中心位于同一直线；
所述波导位于所述直线的同一侧，且所述波导的延伸方向平行。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，所述微环腔激光器具有微环谐振腔，所述微环谐振腔的环宽相同，外径不同；相邻两个所述微环腔激光器的边缘间距相同。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，所述激光输出单元中，所述微环腔激光器与所述波导之间具有预设间隙，所述预设间隙内填充第二二氧化硅层。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，在所述第一方向上，所述预设间隙的长度为0.1-0.3μm。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，所述波导包括一体的输入部分和输出部分；
同一所述激光输出单元中，所述输入部分朝向所述微环腔激光器，所述输出部分背离所述微环腔激光器，所述输入部分的宽度在所述第一方向上逐渐减小，所述第一方向由所述微环腔激光器指向所述波导。
优选的，在上述的微环激光器阵列中，在第二方向上，所述微环腔激光器包括在所述第一表面上依次堆叠设置的过渡层、N型欧姆接触层、下限制层、下波导层、所述有源区、上波导层、上限制层和P型欧姆接触层；
其中，所述第二方向由所述第一层硅材料指向所述第二层硅材料。
本发明还提供一种微环激光器阵列的制作方法，所述制作方法包括：
提供绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；
图形化所述绝缘体上硅，将所述第二层硅材料图形化为多个波导，在所述第一二氧化硅层上形成多个露出第一表面的器件区；所述第一表面为所述第一层硅材料朝向所述第一二氧化硅层的表面；所述器件区不交叠；
在所述器件区形成多个与所述波导一一对应的微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；
其中，所述绝缘体上硅上设置有多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：所述微环腔激光器以及所述波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导与所对应微环腔激光器的有源区相对设置；所述第一方向为所述波导的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层。
优选的，在上述的制作方法中，图形化所述绝缘体上硅的方法包括：
对所述绝缘体上硅进行清洗；
刻蚀所述第二层硅材料，至暴露出所述第一二氧化硅层，形成多个所述波导；
刻蚀去除部分所述第一氧化硅层，至暴露出所述第一层硅材料，形成多个所述器件区。
优选的，在上述的制作方法中，形成所述微环腔激光器的方法包括：
形成覆盖所述波导的掩膜层，所述掩膜层露出所述器件区；
在所述器件区形成外延层，所述外延层包括依次形成在所述第一表面上的过渡层、N型欧姆接触层、下限制层、下波导层、所述有源区、上波导层、上限制层和P型欧姆接触层；
刻蚀所述器件区的外延层，形成微环谐振腔；其中，刻蚀至暴露出所述N型欧姆接触层，所述微环谐振腔外部具有露出的部分所述N型欧姆接触层；
形成第三二氧化硅层，所述第三二氧化硅层覆盖所述谐振腔及所述N型欧姆接触层；
形成与所述P型欧姆接触层连接的P电极和与所述N型欧姆接触层连接的N电极。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的微环激光器阵列及其制作方法中，微环腔激光器阵列是硅基光电单片集成的多波长硅基微环腔激光器阵列，在同一绝缘体上硅上制作多个激光输出单元，所述激光输出单元中，微环腔激光器通过所对应的波导输出激光，实现激光定向输出；而且基于同一绝缘体上硅制作多个激光输出单元，以第一层硅材料为硅衬底，可适用于硅基光互连系统；多个激光输出单元在同一硅基衬底上，直接外延生长工艺简单，便于硅基光子器件堆叠大批量和低成本封装制作，能够与现有CMOS工艺兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，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申请的实施例，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。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的一种微环激光器阵列的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光输出单元的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种微环腔激光器的材料结构示意图；
图4-图25为本发明实施例提供的一种微环激光器阵列的制作方法工艺流程图；
图26为根据本发明实施例的利用三维时域有限差分法(3D-FDTD)进行数值计算得到的微环谐振腔中模式TE50,1的横向光场分布图；
图27为根据本发明实施例的利用3D-FDTD方法进行数值计算得到的固定微环宽度时，激射波长随微环半径的变化曲线；
图28为根据本发明实施例的利用3D-FDTD方法进行数值计算得到的不同波导厚度下Si波导中的纵向光场分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
目前硅基光互连正朝着Tb/s规模的吞吐量发展，以满足数据中心大量增加的流量需求。在大规模硅基光互连中，单片集成多波长激光器阵列(MWLAs)对于实现密集波分多路复用(DWDM)应用中的紧凑、低成本且可靠的激光源是非常有吸引力的。微环腔激光器具有阈值低、体积小、易集成和可动态模操作等特点，是DWDM系统中的高性能、低功耗的理想光源。但由于微环腔中严格的圆对称性和全内反射作用，限制了激光的定向输出，不能满足全光网络和光电子信息领域对半导体激光光源输出光功率的要求。
将光波导与微腔激光器倏逝耦合是实现激光器有效光输出的一种重要方式，它不仅能够避免直接在微腔上引出输出结构对腔体造成的破坏，而且可对微腔激光器和波导进行独立控制和优化。
例如，现有技术中提出的一种平面内横向耦合总线波导的四波长InP基AlGaInAs微盘激光器阵列，微盘半径为10.1～10.4μm，间隔0.1μm，该激光器阵列在室温下实现了1550nm波长的连续波激射，波长间隔约3～4nm。然而，该激光器阵列不是在硅衬底上制备的，难以应用于硅基光互连系统中。
后来又提出一种垂直耦合SOI总线波导的十六波长Si基混合集成AlGaInAs微盘激光器阵列，但是这种硅基混合集成主要是通过键合的方式实现的，键合工艺较为复杂，不利于硅基光子器件的大批量和低成本的封装制作，而且与现有CMOS工艺的兼容性较差。
在耦合方式上，上述微腔激光器阵列都是基于微腔与总线波导横向耦合的结构，其弊端在于，微腔耦合输出的能量通过顺时针和逆时针腔模分裂为两个输出方向，因此波导中每个输出方向只包含总激光输出功率的一半，耦合效率较低且方向性较差。另外，混合集成微腔激光器阵列存在较为突出的散热问题，并且横向耦合总线波导的微腔激光器阵列在光束整形、多光束集束、输出耦合等后续环节也面临着多重困难。
因此，本发明提供了一种微环激光器阵列及其制作方法，所述微环激光器阵列包括：
绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；
设置在所述绝缘体上硅上的多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：微环腔激光器以及波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导与所对应微环腔激光器的有源区相对设置；所述第一方向为所述波导的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层；
所述第一层硅材料朝向所述第一二氧化硅层的表面为第一表面；所述绝缘体上硅具有多个露出所述第一表面的器件区；所述器件区不交叠，用于设置所述微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；
所述第二层硅材料包括多个相互独立的所述波导。
本发明通过平面线形排列的方式在硅衬底上单片集成微环激光器阵列，并在微环腔激光器边缘径向耦合锥形硅波导，进一步提高了半导体激光器的输出光功率，同时确保微环激光器阵列的出光方向一致，实现激光定向输出。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的微环激光器阵列及其制作方法中，微环腔激光器阵列是硅基光电单片集成的多波长硅基微环腔激光器阵列，通过在同一绝缘体上硅上制作多个激光输出单元，所述激光输出单元中，微环腔激光器通过所对应的波导输出激光，实现激光定向输出；而且基于同一绝缘体上硅制作多个激光输出单元，以第一层硅材料为硅衬底，可适用于硅基光互连系统；多个激光输出单元在同一硅基衬底上，直接外延生长工艺简单，便于硅基光子器件堆叠大批量和低成本封装制作，能够与现有CMOS工艺兼容。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的一种微环激光器阵列的立体结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种激光输出单元的俯视图，图3为本发明实施例提供的一种微环腔激光器的材料结构示意图。
如图1-图3所示，所述微环激光器阵列包括：
绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料11和第二层硅材料13，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层12；
设置在所述绝缘体上硅上的多个激光输出单元20；所述激光输出单元20包括：微环腔激光器21以及波导22，一个微环腔激光器21及其所对应的波导22为一个激光输出单元20；所述微环腔激光器21具有用于出射激光的有源区35；所述微环腔激光器21的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导22与所对应微环腔激光器21的有源区35相对设置；所述第一方向为所述波导22的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层12；
所述第一层硅材料11朝向所述第一二氧化硅层12的表面为第一表面；所述绝缘体上硅具有多个露出所述第一表面的器件区；所述器件区不交叠，用于设置所述微环腔激光器21，所述微环腔激光器21与所述器件区一一对应；
所述第二层硅材料13包括多个相互独立的所述波导22。
本发明实施例中，所述微环腔激光器21的几何中心位于同一直线；所述波导22位于所述直线的同一侧，且所述波导22的延伸方向平行。
其中，所述微环腔激光器21具有微环谐振腔，所述微环谐振腔的环宽相同，所述微环谐振腔的外径不同，内径也不同；相邻两个所述微环腔激光器21的边缘间距相同，均大于0.5μm。
本发明实施例中，所述各个微环腔激光器21具有不同的内外半径但有相同的环宽，环宽可以为1.0μm，外半径Rout可以为2.7～3.9μm，当外半径间隔为0.2μm时，各个微环腔激光器21的激射波长均在1.3μm波段且波长间隔均匀，为2～3nm。
需要说明的是，在微环腔激光器21环宽相同的情况下可以通过改变微环谐振腔的内外半径可实现等间距的激射波长；所述各个微环腔激光器21的出光方向相同且朝向所述第一方向，所述第一方向由所述微环腔激光器21指向所述波导22；所述波导22的中心高度与微环腔激光器21的有源区35对准，其中心高度由激光器材料结构中各层半导体材料的厚度决定，并且微环腔激光器21与波导22之间由0.1～0.3μm厚的SiO2材料隔开，微环腔激光器21中的激光通过倏逝波耦合的方式进入波导22中。
本发明实施例中，所述微环腔激光器21与所述波导22之间具有预设间隙g，所述预设间隙g内填充第二二氧化硅层15。本申请微环腔激光器21和波导22通过预设间隙g实现倏逝波耦合，进而实现激光定向输出。所述微环腔激光器阵列解决了常规微环腔激光器阵列耦合效率较低且方向性较差的问题，同时解决了现有微腔激光器阵列在散热、光束整形、多光束集束、输出耦合等方面的问题。
其中，在所述第一方向上，所述预设间隙g的长度可以为0.1-0.3μm。通过该预设间隙g可以实现微环腔激光器21和波导22的独立设置，并且用于调节耦合效率，实现倏逝波耦合，预设间隙g为0.1μm是最优，耦合效率是最高的。
本发明实施例中，所述波导22包括一体的输入部分和输出部分；同一所述激光输出单元20中，所述输入部分朝向所述微环腔激光器21，所述输出部分背离所述微环腔激光器21，所述输入部分的宽度在所述第一方向上逐渐减小，输出部分的宽度在第一方向上保持不变，所述第一方向由所述微环腔激光器21指向所述波导22。
需要说明的是，输入部分为宽度渐变的锥形结构，便于光束整形、多光束集束以及输出耦合。
如图2所示，所述波导22的输入部分的宽度w1可以为1～2μm，输出部分w2的宽度可以为0.3～0.5μm，波导22的长度L可以为20～30μm，波导22的厚度不小于微环腔激光器21有源区35的厚度，波导22厚度可以为0.4～0.7μm，微环腔激光器21与波导22之间的耦合间距可以为0.1～0.3μm，此时微环腔激光器21的品质因子和光耦合输出效率均达到优化值。
其中，各个微环腔激光器21中的主激射模式为径向传播常数和辐射损耗最小的基横模，其模式品质因子高达105量级且边模抑制比可达40dB。微环腔激光器21的材料包层厚度在1～2μm之间，且需满足所述微环谐振腔的品质因子达到最大值并且纵向光学模式为基模。所述微环激光器阵列的刻蚀深度在3～4μm之间，需满足所述微环谐振腔的品质因子达到最大值并且谐振腔中的光学模式稳定分布。
如图3所示，在第二方向上，所述微环腔激光器21包括在所述第一表面上依次堆叠设置的过渡层31、N型欧姆接触层32、下限制层33、下波导层34、所述有源区35、上波导层36、上限制层37和P型欧姆接触层38；其中，所述第二方向由所述第一层硅材料11指向所述第二层硅材料13。
其中，过渡层31包括在第二方向上依次设置的成核层311、缓冲层312和位错阻挡层315，位错阻挡层315包括多个在第二方向上依次设置的第一周期结构，第一周期结构包括在第二方向上依次设置的超晶格层313和隔离层314，周期可以基于需求设定，如可以为4个周期。
在缓冲层312上生长由超晶格层313组成的位错阻挡层315，其目的是有效阻挡由于硅衬底和III-V族半导体材料之间的晶格失配而产生的位错，防止其穿透至激光器有源区35，使激光器材料质量得到进一步优化。
有源区35包括在第二方向上依次设置的多个第二周期结构，第二周期结构包括在第二方向上依次设置的量子点层354和隔离层355，量子点层354包括在第二方向上依次设置的第一层In0.15Ga0.85As351、InAs量子点352和第二层In0.15Ga0.85As353，周期可以基于需求设定，如可以为5个周期。
具体的，如图3所示：在绝缘体上硅10上进行选区外延生长15～25nm的GaAs成核层311，再在GaAs成核层311上外延生长1～2μm的GaAs缓冲层312，接着在所述GaAs缓冲层312上生长20nm In0.15Ga0.85As/GaAs超晶格层313和400nm GaAs隔离层314组成的位错阻挡层315，并在位错阻挡层315上方制备200～300nm的N型GaAs欧姆接触层32，然后生长1～2μm的N型Al0.4Ga0.6As下限制层33，在所述N型下限制层33上依次生长80～100nm GaAs下波导层34、有源区35和35～75nm GaAs上波导层36，并在GaAs上波导层36上生长1～2μm的P型Al0.4Ga0.6As上限制层37，最后在P型上限制层37上制作200～300nm的P型GaAs欧姆接触层38。其中，有源区35包括2nm的第一层In0.15Ga0.85As 351、2.8ML的InAs量子点352、6nm的第二层In0.15Ga0.85As 353以及45nm的GaAs隔离层355。
本发明提供的这种径向倏逝耦合锥形硅波导的多波长硅基微环激光器阵列，通过选择合适的激光器外延材料结构以及微环腔激光器21的结构参数如微环半径、微环宽度、刻蚀深度等，可以进一步优化微环谐振腔中被选激射模式的品质因子，从而实现激光器的低阈值激射；通过选择合适的锥形硅波导的参数如波导宽度、厚度、锥长还有其与微环腔之间的耦合间距，可以进一步优化微环谐振腔与硅波导之间的光耦合输出效率，从而实现具有良好单方向性的定向光输出。
也就是说，针对微环激光器阵列结构的结构参数，每次只改变一个参数，微环腔的品质因子、光学模式分布和光耦合输出效率都会随之变化，当这三个量达到最优值时的结构参数就是最终所选择的最优微环激光器阵列结构。同时通过径向耦合锥形硅波导结构，可以实现微环腔激光器内激光的有效提取与低损耗、定向的光传输。有利于实现用于大规模密集波分复用应用的高性能、低功耗的多波长硅基集成光源。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的用于硅基光电单片集成的多波长硅基微环激光器阵列中，具有以下优点和有益效果：
1、通过在绝缘体上硅上单片集成多个具有相同环宽和不同内外半径的微环腔激光器，各个微环腔激光器的激射波长均在1.3μm波段且波长间隔均约3nm；并在微腔边缘处径向倏逝耦合锥形硅波导，可对微环腔激光器和硅波导结构进行独立控制，同时使微环激光器阵列的输出光功率得到提升，并且各个微环激光器之间互不影响。
2、通过微环内壁对微腔内高阶光学模式的抑制作用，使得高品质因子的基横模能够实现高边模抑制比的单模激射。
3、由于构成微环激光器阵列的各个微环腔激光器和与之径向耦合的锥形硅波导都是在同一硅衬底上制作的，也就是说微环激光器阵列中的各个出光点都在同一个平面内，具有相同的出光方向且出射光平行于结构平面，使得微环激光器阵列的结构更加紧凑，有利于后续的光束整形、多光束集束和光输出耦合。
相比于现有的半导体微腔激光器阵列，本发明属于平面线形微腔激光器阵列，在器件封装时具有良好的散热性能，弥补了目前硅基单片集成半导体微腔激光器阵列结构设计和优化上的缺失，并且解决了微腔激光器中激光的有效光提取与光传输的问题。
基于上述实施例，本发明另一实施例还提供一种微环激光器阵列的制作方法，如图4-图25所示，图4-图25为本发明实施例提供的一种微环激光器阵列的制作方法工艺流程图，其中，图4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24为俯视图，图5、7、9、11、13、15、17、19、21、25为侧视图。
如图4-图25所示，所述制作方法包括：
步骤S11：如图4和图5所示，提供绝缘体上硅10，所述绝缘体上硅10包括：相对设置的第一层硅材料11和第二层硅材料13，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层12；
步骤S12：如图6-图9所示，图形化所述绝缘体上硅10，将所述第二层硅材料13图形化为多个波导22，在所述第一二氧化硅层12上形成多个露出第一表面的器件区；所述第一表面为所述第一层硅材料11朝向所述第一二氧化硅层12的表面；所述器件区不交叠；
本发明实施例中，图形化所述绝缘体上硅10的方法包括：
首先，对所述绝缘体上硅10进行清洗；由于半导体材料的直接外延生长工艺对绝缘体上硅10表面的清洁度有很高的要求，一般按照三氯乙烯-丙酮-酒精的顺序来清洗绝缘体上硅10。
然后，如图6和图7所示，刻蚀所述第二层硅材料13，至暴露出所述第一二氧化硅层12，形成多个所述波导22；可以通过ICP等干法刻蚀技术刻蚀绝缘体上硅10上层的第二层硅材料13至暴露出第一二氧化硅层12，以制备出锥形硅波导结构的台面。
最后，如图8和图9所示，刻蚀去除部分所述第一二氧化硅层12，至暴露出所述第一层硅材料11，形成多个所述器件区。可以在刻蚀好锥形硅波导22之后，在绝缘体上硅10上选区外延生长激光器结构的位置，刻蚀第一二氧化硅层12至暴露出第一层硅材料11，其中第一二氧化硅层12刻蚀的边界与波导22之间的间距为0.1-0.3μm，可作为微环腔激光器21与波导22之间的耦合间距。
步骤S13：如图10-图25所示，在所述第一器件区形成多个与所述波导22一一对应的微环腔激光器21，所述微环腔激光器21与所述器件区一一对应；
其中，所述绝缘体上硅10上设置有多个激光输出单元20；所述激光输出单元20包括：所述微环腔激光器21以及所述波导22；所述微环腔激光器21具有用于出射激光的有源区35；所述微环腔激光器21的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导22与所对应微环腔激光器21的有源区35相对设置；所述第一方向为所述波导22的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层12。
本发明实施例中，形成所述微环腔激光器21的方法包括：
步骤S21：如图10和图15所示，形成覆盖所述波导22的掩膜层15，所述掩膜层15露出所述器件区；
首先，如图10和图11所示，在露出的第一层硅材料11上涂覆1～2μm的光刻胶层14。
然后，如图12和图13所示，通过PECVD技术在结构上方沉积一层350nm左右的二氧化硅层，即掩膜层15，以保护刻蚀好的锥形硅波导22，掩膜层15边缘与刻蚀好的波导22之间的间隙为0.1～0.3μm，可作为微环腔激光器21与波导22之间的耦合间距，一方面有利于微环腔激光器21与波导22的独立设计，另一方面可有效提升微环腔激光器21与波导22之间的光耦合效率，实现倏逝波耦合，其中间隙为0.1μm是最优的，耦合效率是最高的。
最后，如图14和图15所示，按照酒精-丙酮-三氯乙烯-去膜剂-三氯乙烯-丙酮的顺序对光刻胶层14上方的掩膜层15进行带胶剥离。
步骤S22：如图16-图17所示，在所述器件区形成外延层30，所述外延层30包括依次形成在所述第一表面上的过渡层31、N型欧姆接触层32、下限制层33、下波导层34、所述有源区35、上波导层36、上限制层37和P型欧姆接触层38；
可以利用选区外延生长技术在刻蚀好的激光器图形窗口中进行微环腔激光器材料结构的外延生长，具体为在第一层硅材料11上依次外延生长过渡层31(其中，过渡层31包括GaAs成核层311、GaAs缓冲层312以及位错阻挡层315，位错阻挡层315包括GaAs隔离层314和In0.15Ga0.85As/GaAs超晶格层313)、N型欧姆接触层32、下限制层33、下波导层34、有源区35、上波导层36、上限制层37和P型欧姆接触层38。
作为优选的，所述步骤S22具体包括：
首先，在绝缘体上硅10上进行选区外延生长15～25nm的GaAs成核层311，再在GaAs成核层311上外延生长1～2μm的GaAs缓冲层312，接着在所述GaAs缓冲层312上生长20nmIn0.15Ga0.85As/GaAs超晶格层313(SLSs)和400nm GaAs隔离层314组成的位错阻挡层315(DFLs)，并在位错阻挡层315上方制备200～300nm的N型GaAs欧姆接触层32，然后生长1～2μm的N型Al0.4Ga0.6As下限制层33，在所述N型下限制层33上依次生长80～100nm GaAs下波导层34、有源区35和35～75nmGaAs上波导层36，并在GaAs上波导层36上生长1～2μm的P型Al0.4Ga0.6As上限制层37，最后在P型上限制层37上制作200～300nm的P型GaAs欧姆接触层38。其中，有源区35包括2nm的第一层In0.15Ga0.85As 351、2.8ML的InAs量子点352、6nm的第二层In0.15Ga0.85As 353以及45nm的GaAs隔离层355。
具体的，在GaAs缓冲层312上生长由超晶格层313(SLSs)组成的位错阻挡层315(DFLs)，其目的是有效阻挡由于硅衬底和III-V族半导体材料之间的晶格失配而产生的位错，防止其穿透至激光器有源区35，使激光器材料质量得到进一步优化。
具体的，在DFLs结构中，每个SLS结构包含5个周期的10nm In0.15Ga0.85As/10nmGaAs超晶格层313，重复4次，由300～400nm GaAs隔离层314隔开；
然后在DFLs上依次外延生长200～300nm的N型GaAs欧姆接触层32、1～2μm的N型Al0.4Ga0.6As下限制层33和80～100nm GaAs下波导层34；
在GaAs下波导层34上生长有源区35，其包括5层未掺杂的InAs/In0.15Ga0.85As/GaAsdot-in-well(DWELL)结构，该结构包括在第二方向上依次设置的量子点层354和隔离层355，量子点层354包括在第二方向上依次设置的第一层In0.15Ga0.85As 351、InAs量子点352和第二层In0.15Ga0.85As 353；
具体的，在所述的每层DWELL结构中，首先外延生长2nm第一层In0.15Ga0.85As351，然后是2.8ML InAs量子点352，最上层是6nm第二层In0.15Ga0.85As 353，以达到延长量子点激光器的波长的目的；每层DWELL结构之间由35～45nm的GaAs隔离层355分隔开。
而后在上述有源区35顶层生长35～75nm GaAs上波导层36和1～2μm P型Al0.4Ga0.6As上限制层37；
最后，在上述结构最上方生长一层200～300nm厚的P型欧姆接触层38。
步骤S23：如图18和图19所示，刻蚀所述器件区的外延层30，形成微环谐振腔40；其中，刻蚀至暴露出所述N型欧姆接触层32，所述微环谐振腔40外部具有露出的部分所述N型欧姆接触层32；
可以利用ICP干法刻蚀和湿法化学腐蚀等技术，在外延层30上刻蚀微环谐振腔40至暴露出N型欧姆接触层32，本发明以4个微环腔激光器21为例，其中微环腔激光器21的宽度均为1.0μm，微环腔激光器21外半径依次为2.9μm、3.1μm、3.3μm和3.5μm，相邻微环腔激光器21边缘之间的间隔均为0.5μm。
步骤S24：如图20和图21所示，形成第三二氧化硅层16，所述第三二氧化硅层16覆盖所述微环谐振腔40及所述N型欧姆接触层32；
将上述生长好的外延层30按照丙酮-三氯乙烯-酒精的顺序进行清洗，然后在在外延层30表面沉积一层厚度为350nm左右的致密的第三二氧化硅层16作为绝缘层。
步骤S25：如图22-图25所示，形成与所述P型欧姆接触层38连接的P电极381和与所述N型欧姆接触层32连接的N电极321。
形成P电极381的方法为：在沉积完第三二氧化硅层16的结构上，利用反胶光刻工艺和湿法化学腐蚀制作P电极窗口，并利用磁控溅射技术在P电极窗口中的P型欧姆接触层38上溅射约300nm厚的Ti-Pt-Au金属合金材料作为激光器的P电极材料，完成P电极381的制备。
具体的，制备P电极窗口的具体过程如下：
在沉积完第三二氧化硅层16的结构上方进行涂胶，利用光刻机曝光并显影以形成光刻胶掩膜，然后通过湿法化学腐蚀工艺去除电极窗口区的第三二氧化硅层16，露出P型欧姆接触层38，最后去胶完成P电极窗口。
形成N电极321的方法为：利用反胶光刻工艺和湿法化学腐蚀制作N电极窗口，并利用磁控溅射技术在N电极窗口中的N型欧姆接触层32上溅射约300nm厚的Au-Ge-Ni材料作为激光器的N电极材料，完成N电极321的制备。
具体的，制备N电极窗口的具体过程如下：
在结构上方进行涂胶，利用光刻机曝光并显影以形成光刻胶掩膜，然后通过湿法化学腐蚀工艺去除电极窗口区的第三二氧化硅层16，露出N型欧姆接触层32，最后去胶完成N电极321窗口。
图26是利用三维时域有限(3D-FDTD)方法进行数值计算得到的微环腔激光器中的横电模式TE50，1的近场场强分布图。微环谐振腔的外半径为3.5μm，微环宽度为1.0μm，激光器材料上、下包层厚度均为1.5μm，器件刻蚀深度为Al0.4Ga0.6As下限制层和N型GaAs欧姆接触层的边界。如图26所示，微环腔激光器中的光学模式主要分布于微腔的边缘，而在中心区域没有模式分布，并且在水平方向上呈现完美的圆对称分布，这一结果说明微环激光器结构对微环腔内的横向模式光场分布有很好的限制作用。
图27是利用3D-FDTD方法计算得到的在固定微环宽度为1μm的情况下，激射波长随微环半径的变化曲线。由图27可知，当微环外半径为2.7μm，2.9μm，3.1μm，3.3μm，3.5μm，3.7μm和3.9μm时，微环激光器的主激射波长分别为1291.29nm，1294.51nm，1298.14nm，1301.42nm，1304.53nm，1307.21nm和1309.48nm，模式Q因子分别为93393，94286，78636，158382，160867，124663和189065。这里与步骤22中选择的微环腔外半径大小是一致的。可见在固定微环宽度时通过等间距改变微环内、外半径可实现波长间隔约为3nm的一系列稳定的激射波长。
基于3D-FDTD方法计算得到微环腔内品质因子随Si波导厚度的变化关系如下，随着波导厚度增加，不同波导宽度下的品质因子均缓慢减小。图28是不同波导厚度下Si波导中的纵向模式光场分布图，可看出随着波导厚度增加，Si波导中的光学模式有从基模转化为多模的趋势，可看出在具体实施例的步骤S12中选择的硅波导厚度(0.435μm)下，硅波导能够实现基模传输。
本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种基于微环谐振腔与锥形硅波导径向倏逝耦合的多波长硅基激光器阵列。通过在绝缘体上硅10上并列集成四个具有相同微环宽度和微小半径差异的微环激光器，通过选择合适的结构参数可实现其在1.3μm波段的稳定激射，并改变微环半径实现了波长间隔约3nm的等间距激射波长，最后通过选择合适的径向倏逝耦合锥形Si波导的结构参数，实现了微环激光器中激光的有效提取与传输。
具体采用3D-FDTD方法针对微环激光器的半径、微环宽度、包层厚度、刻蚀深度和锥形Si波导参数以及耦合间距等参数进行了数值计算，最终得到当微环半径为3.5μm，微环宽度为1μm，包层厚度为1.5μm，刻蚀深度为Al0.4Ga0.6As下限制层和N型GaAs欧姆接触层的边界时，微环激光器能够实现稳定的激射。在固定微环宽度时，同时改变微环内、外半径，得到激射波长范围为1291.29～1309.48nm，间隔均约为3nm。当锥形Si波导输入端口宽度为1.0μm，锥长为25μm，输出端口宽度为0.3μm，波导厚度为0.435μm，耦合间距为0.1μm时，能够在不破坏微环腔完整性的同时实现耦合效率为23.5％的单向光耦合输出。这一结果说明通过径向倏逝耦合锥形Si波导结构可有效实现微环腔激光器的光输出，并且改微环腔激光器阵列可应用于密集波分复用系统中高性能集成光源。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的微环激光器阵列的制作方法中，微环腔激光器阵列是硅基光电单片集成的多波长硅基微环腔激光器阵列，通过在同一绝缘体上硅上制作多个激光输出单元，所述激光输出单元中，微环腔激光器通过所对应的波导输出激光，实现激光定向输出；而且基于同一绝缘体上硅制作多个激光输出单元，以第一层硅材料为硅衬底，可适用于硅基光互连系统；多个激光输出单元在同一硅基衬底上，直接外延生长工艺简单，便于硅基光子器件堆叠大批量和低成本封装制作，能够与现有CMOS工艺兼容。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，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。对于实施例公开的制作方法而言，由于其与实施例公开的微环激光器阵列相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见微环激光器阵列部分说明即可。
需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (10)
1.一种微环激光器阵列，其特征在于，所述微环激光器阵列包括：
绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；
设置在所述绝缘体上硅上的多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：微环腔激光器以及波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导与所对应微环腔激光器的有源区相对设置；所述第一方向为所述波导的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层；
所述第一层硅材料朝向所述第一二氧化硅层的表面为第一表面；所述绝缘体上硅具有多个露出所述第一表面的器件区；所述器件区不交叠，用于设置所述微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；
所述第二层硅材料包括多个相互独立的所述波导。
2.根据权利要求1所述的微环激光器阵列，其特征在于，所述微环腔激光器的几何中心位于同一直线；
所述波导位于所述直线的同一侧，且所述波导的延伸方向平行。
3.根据权利要求2所述的微环激光器阵列，其特征在于，所述微环腔激光器具有微环谐振腔，所述微环谐振腔的环宽相同，外径不同；相邻两个所述微环腔激光器的边缘间距相同。
4.根据权利要求1所述的微环激光器阵列，其特征在于，所述激光输出单元中，所述微环腔激光器与所述波导之间具有预设间隙，所述预设间隙内填充第二二氧化硅层。
5.根据权利要求4所述的微环激光器阵列，其特征在于，在所述第一方向上，所述预设间隙的长度为0.1-0.3μm。
6.根据权利要求1所述的微环激光器阵列，其特征在于，所述波导包括一体的输入部分和输出部分；
同一所述激光输出单元中，所述输入部分朝向所述微环腔激光器，所述输出部分背离所述微环腔激光器，所述输入部分的宽度在所述第一方向上逐渐减小，所述第一方向由所述微环腔激光器指向所述波导。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微环激光器阵列，其特征在于，在第二方向上，所述微环腔激光器包括在所述第一表面上依次堆叠设置的过渡层、N型欧姆接触层、下限制层、下波导层、所述有源区、上波导层、上限制层和P型欧姆接触层；
其中，所述第二方向由所述第一层硅材料指向所述第二层硅材料。
8.一种微环激光器阵列的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供绝缘体上硅，所述绝缘体上硅包括：相对设置的第一层硅材料和第二层硅材料，以及位于两层硅材料之间的第一二氧化硅层；
图形化所述绝缘体上硅，将所述第二层硅材料图形化为多个波导，在所述第一二氧化硅层上形成多个露出第一表面的器件区；所述第一表面为所述第一层硅材料朝向所述第一二氧化硅层的表面；所述器件区不交叠；
在所述器件区形成多个与所述波导一一对应的微环腔激光器，所述微环腔激光器与所述器件区一一对应；
其中，所述绝缘体上硅上设置有多个激光输出单元；所述激光输出单元包括：所述微环腔激光器以及所述波导；所述微环腔激光器具有用于出射激光的有源区；所述微环腔激光器的尺寸不同，以出射不同波长的激光；在第一方向上，所述波导与所对应微环腔激光器的有源区相对设置；所述第一方向为所述波导的延伸方向，平行于所述第一二氧化硅层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，图形化所述绝缘体上硅的方法包括：
对所述绝缘体上硅进行清洗；
刻蚀所述第二层硅材料，至暴露出所述第一二氧化硅层，形成多个所述波导；
刻蚀去除部分所述第一氧化硅层，至暴露出所述第一层硅材料，形成多个所述器件区。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，形成所述微环腔激光器的方法包括：
形成覆盖所述波导的掩膜层，所述掩膜层露出所述器件区；
在所述器件区形成外延层，所述外延层包括依次形成在所述第一表面上的过渡层、N型欧姆接触层、下限制层、下波导层、所述有源区、上波导层、上限制层和P型欧姆接触层；
刻蚀所述器件区的外延层，形成微环谐振腔；其中，刻蚀至暴露出所述N型欧姆接触层，所述微环谐振腔外部具有露出的部分所述N型欧姆接触层；
形成第三二氧化硅层，所述第三二氧化硅层覆盖所述谐振腔及所述N型欧姆接触层；
形成与所述P型欧姆接触层连接的P电极和与所述N型欧姆接触层连接的N电极。
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