本發(fā)明涉及光通訊激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器結(jié)構(gòu)和制作方法。

背景技術(shù)：

隨著信息傳輸帶寬的需求一直在以爆炸的速度增長，為滿足網(wǎng)絡(luò)流量的飛速發(fā)展，在骨干層網(wǎng)絡(luò)，40Gbps、100Gbps光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始商用部署，400Gbps或1Tbps光通信系統(tǒng)也開始研究。高速率寬帶寬的的發(fā)展，要求波分復(fù)用的波長間隔越來越小，尤其速率上了100Gbps之后，LWDM(LinkedWavelength Division Multiplexing)通訊窗口要求波長在2nm范圍變動(dòng)，現(xiàn)有激光器芯片會(huì)隨著溫度變化而波長漂移。高速率光模塊封裝中必須采用TEC、熱敏電阻等溫控元件對(duì)激光器進(jìn)行溫控處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波長輸出。TEC的引入不但增大了整個(gè)光模塊的功耗，也給封裝帶來了極大的不便，同一封裝形式，如QSFP、CFP4等需要騰出一部分空間來封裝TEC，芯片封裝空間的減小限制了多路通訊波長的引入，影響多路高速率的光模塊發(fā)展。TEC及熱敏電阻的打線引腳一定程度上也會(huì)對(duì)高頻信號(hào)產(chǎn)生影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問題是是現(xiàn)有的激光器溫度補(bǔ)償控制都是基于TEC完成的，而相應(yīng)結(jié)構(gòu)需要騰出一部分空間來封裝TEC，芯片封裝空間的減小限制了多路通訊波長的引入，影響多路高速率的光模塊發(fā)展。

本發(fā)明實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器結(jié)構(gòu)，包括SOI襯底、三五族有源層波導(dǎo)、負(fù)折射率溫度系數(shù)的聚合物波導(dǎo)、第一硅波導(dǎo)和第二硅波導(dǎo)，所述三五族有源層波導(dǎo)、負(fù)折射率溫度系數(shù)的聚合物波導(dǎo)、第一硅波導(dǎo)和第二硅波導(dǎo)位于所述SOI襯底上，具體的：

位于所述三五族有源層波導(dǎo)與所述第一硅波導(dǎo)的耦合段之間，其相鄰的側(cè)面保持平行；所述三五族有源層波導(dǎo)與所述第一硅波導(dǎo)位于耦合段上，且相對(duì)于耦合側(cè)面的另一面包含斜面；所述斜面呈現(xiàn)為從各波導(dǎo)耦合段上的預(yù)設(shè)區(qū)域向端口切削的結(jié)構(gòu)；

所述第一硅波導(dǎo)的出光口與所述聚合物波導(dǎo)的進(jìn)光口耦合；所述聚合物波導(dǎo)的出光口與所述第二硅波導(dǎo)的進(jìn)光口耦合。

可選的，所述第一硅波導(dǎo)的出光口為錐形，所述聚合物波導(dǎo)以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波導(dǎo)的進(jìn)光口套接在所述第一硅波導(dǎo)的錐形出光口上。

可選的，所述第二硅波導(dǎo)的進(jìn)光口為錐形，所述聚合物波導(dǎo)以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波導(dǎo)的進(jìn)光口套接在所述第二硅波導(dǎo)的錐形進(jìn)光口上。

可選的，所述三五族有源層波導(dǎo)bonding在SOI襯底上。

可選的，所述三五族有源層波導(dǎo)的長度L和折射率n，以及聚合物波導(dǎo)的長度Ls和折射率ns，由上述四個(gè)參數(shù)以及各參數(shù)相對(duì)于溫度的變化系數(shù)，構(gòu)成三五族有源層波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子；

根據(jù)所述三五族有源層波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子之和為零，在確定所述折射率n和折射率ns對(duì)于溫度的變化系數(shù)后，得到所述三五族有源層波導(dǎo)的長度L和聚合物波導(dǎo)的長度Ls的長度比例；

依據(jù)所述長度比例制作所述三五族有源層波導(dǎo)和/或聚合物波導(dǎo)。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于SOI的混合集成熱不敏感激光器的制作方法，所述方法包括：

通過光刻在所述SOI襯底上制作第一硅波導(dǎo)和第二硅波導(dǎo)圖形，其中，所述第一硅波導(dǎo)圖形的出光口和第二硅波導(dǎo)的進(jìn)光口分別被制作成錐形；并且，所述第一硅波導(dǎo)的進(jìn)光口被制作成楔形；

將三五族有源層波導(dǎo)bonding在所述SOI襯底的預(yù)設(shè)位置，使得所述三五族有源層波導(dǎo)的出光口和所述硅波導(dǎo)的進(jìn)光口完成耦合；在所述第一硅波導(dǎo)的出光口側(cè)和第二硅波導(dǎo)的進(jìn)光口側(cè)套刻聚合物波導(dǎo)，其中，所述聚合物波導(dǎo)的進(jìn)光口覆蓋在所述第一硅波導(dǎo)的出光口的錐形圖形之上，所述聚合物波導(dǎo)的出光口覆蓋在所述第二硅波導(dǎo)的進(jìn)光口的錐形圖形之上。

可選的，所述三五族有源層波導(dǎo)的長度L和折射率n，以及聚合物波導(dǎo)的長度Ls和折射率ns，由上述四個(gè)參數(shù)以及各參數(shù)相對(duì)于溫度的變化系數(shù)，構(gòu)成三五族有源層波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子；

根據(jù)所述三五族有源層波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)的等效波長波動(dòng)因子之和為零，在確定所述折射率n和折射率ns對(duì)于溫度的變化系數(shù)后，得到所述三五族有源層波導(dǎo)的長度L和聚合物波導(dǎo)的長度Ls的長度比例；

依據(jù)所述長度比例制作所述三五族有源層波導(dǎo)和/或聚合物波導(dǎo)。

本發(fā)明實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)激光器的熱不敏感，溫度變化時(shí)，激光器光波長穩(wěn)定不變，不需要額外使用TEC來控溫，能大大降低模塊的功耗，節(jié)省封裝空間，實(shí)現(xiàn)相同封裝方式下更多路光通道的封裝，本發(fā)明實(shí)施例中激光器制作在SOI上，芯片發(fā)光可以直接進(jìn)入光波導(dǎo)中傳輸，不需要額外進(jìn)行耦合，利于集成與批量生產(chǎn)。

【附圖說明】

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第一硅波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第二硅波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器制作流程圖。

【具體實(shí)施方式】

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

光互聯(lián)取代電互聯(lián)是光通信行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，具有非常誘惑的前景，硅光是業(yè)內(nèi)公認(rèn)最有可能實(shí)現(xiàn)全光互聯(lián)的技術(shù)方案。由于硅材料是間接帶隙，用來制作成光源發(fā)光效率非常低，研究人員發(fā)現(xiàn)目前比較可行的方式是采用三五族的芯片與SOI實(shí)現(xiàn)混合集成。但芯片與SOI波導(dǎo)尺寸太小，耦合是一重大難題，采用lens耦合工藝上難操作。本發(fā)明中激光器制作在SOI上，三五族有源層波導(dǎo)光模場可以直接耦合進(jìn)入硅波導(dǎo)中傳輸，利于集成與批量生產(chǎn)。

實(shí)施例1:

本發(fā)明實(shí)施例1提供了一種基于SOI混合集成熱不敏感激光器結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，包括SOI襯底1、三五族有源層波導(dǎo)2、負(fù)折射率溫度系數(shù)的聚合物波導(dǎo)3、第一硅波導(dǎo)4和第二硅波導(dǎo)5，所述三五族有源層波導(dǎo)2、負(fù)折射率溫度系數(shù)的聚合物波導(dǎo)3、第一硅波導(dǎo)4和第二硅波導(dǎo)5位于所述SOI襯底1上，具體的：

位于所述三五族有源層波導(dǎo)2與所述第一硅波導(dǎo)4的耦合段之間，其相鄰的側(cè)面保持平行；所述三五族有源層波導(dǎo)2與所述第一硅波導(dǎo)4位于耦合段上，且相對(duì)于耦合側(cè)面的另一面包含斜面6；所述斜面呈現(xiàn)為從各波導(dǎo)耦合段上的預(yù)設(shè)區(qū)域向端口7切削的結(jié)構(gòu)；

所述第一硅波導(dǎo)4的出光口與所述聚合物波導(dǎo)3的進(jìn)光口耦合；所述聚合物波導(dǎo)3的出光口與所述第二硅波導(dǎo)5的進(jìn)光口耦合。

本發(fā)明實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)激光器的熱不敏感，溫度變化時(shí)，激光器光波長穩(wěn)定不變，不需要額外使用TEC來控溫，能大大降低模塊的功耗，節(jié)省封裝空間，實(shí)現(xiàn)相同封裝方式下更多路光通道的封裝，本發(fā)明實(shí)施例中激光器制作在SOI上，芯片發(fā)光可以直接進(jìn)入光波導(dǎo)中傳輸，不需要額外進(jìn)行耦合，利于集成與批量生產(chǎn)。

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種第一硅波導(dǎo)4和聚合物波導(dǎo)3端口耦合的實(shí)現(xiàn)方式，所述第一硅波導(dǎo)4的出光口41為錐形，所述聚合物波導(dǎo)3以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波導(dǎo)3的進(jìn)光口套接在所述第一硅波導(dǎo)4的錐形出光口41上。該方式都能夠一定程度上改善從三五族有源層波導(dǎo)2輸出的光信號(hào)傳播到硅波導(dǎo)4中的衰減度。

類似與上述改進(jìn)方式，在本發(fā)明實(shí)施例中存在一種可選的改進(jìn)方案，如圖4所示，所述第二硅波導(dǎo)5的進(jìn)光口51為錐形，所述聚合物波導(dǎo)3以曝光套刻的方式制作，并且所述聚合物波導(dǎo)3的進(jìn)光口套接在所述第二硅波導(dǎo)5的錐形進(jìn)光口51上。該方式都能夠一定程度上改善從聚合物波導(dǎo)3輸出的光信號(hào)傳播到第二硅波導(dǎo)5中的衰減度。

在本發(fā)明實(shí)施例中，所述三五族有源層波導(dǎo)2可以是bonding在SOI襯底1上，例如：通過倒裝焊接的方式完成三五族有源層波導(dǎo)2與SOI襯底1的固定。

為了進(jìn)一步支撐本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于三五族有源層波導(dǎo)2和聚合物波導(dǎo)3之間如何進(jìn)行選材及其長度設(shè)置提供可參考依據(jù)，接下來將依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的有益效果：聚合物波導(dǎo)3的dn/dT<0，為負(fù)溫度系數(shù)的材料；三五族有源層波導(dǎo)2的dn/dT>0，為正溫度系數(shù)的材料，兩者組合成FP腔，實(shí)現(xiàn)FP腔內(nèi)的dn/dT＝0，提供一種可行的理論依據(jù)。具體的：

所述三五族有源層波導(dǎo)2的長度L和折射率n，以及聚合物波導(dǎo)3的長度Ls和折射率ns，由上述四個(gè)參數(shù)以及各參數(shù)相對(duì)于溫度的變化系數(shù)，構(gòu)成三五族有源層波導(dǎo)2的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)3的等效波長波動(dòng)因子；

根據(jù)所述三五族有源層波導(dǎo)2的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)3的等效波長波動(dòng)因子之和為零，在確定所述折射率n和折射率ns對(duì)于溫度的變化系數(shù)后，得到所述三五族有源層波導(dǎo)2的長度L和聚合物波導(dǎo)3的長度Ls的長度比例；

依據(jù)所述長度比例制作所述三五族有源層波導(dǎo)2和/或聚合物波導(dǎo)3。

實(shí)施例2：

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種基于SOI的混合集成熱不敏感激光器的制作方法，所述方法可以用制作如實(shí)施例1所述的基于SOI的混合集成熱不敏感激光器，如圖5所示，所述方法包括：

在步驟201中，通過光刻在所述SOI襯底1上制作第一硅波導(dǎo)4和第二硅波導(dǎo)5圖形。

其中，所述第一硅波導(dǎo)4圖形的出光口和第二硅波導(dǎo)5的進(jìn)光口分別被制作成錐形；并且，所述第一硅波導(dǎo)4的進(jìn)光口被制作成楔形，例如：直角三角形或者直角梯形。

在步驟202中，將三五族有源層波導(dǎo)2bonding在所述SOI襯底1的預(yù)設(shè)位置，使得所述三五族有源層波導(dǎo)2的出光口和所述硅波導(dǎo)的進(jìn)光口完成耦合。

在步驟203中，在所述第一硅波導(dǎo)4的出光口側(cè)和第二硅波導(dǎo)5的進(jìn)光口側(cè)套刻聚合物波導(dǎo)3。

其中，所述聚合物波導(dǎo)3的進(jìn)光口覆蓋在所述第一硅波導(dǎo)4的出光口的錐形圖形之上，所述聚合物波導(dǎo)3的出光口覆蓋在所述第二硅波導(dǎo)5的進(jìn)光口的錐形圖形之上。

本發(fā)明實(shí)施例所加工制作出來的激光器可以實(shí)現(xiàn)激光器的熱不敏感，溫度變化時(shí)，激光器光波長穩(wěn)定不變，不需要額外使用TEC來控溫，能大大降低模塊的功耗，節(jié)省封裝空間，實(shí)現(xiàn)相同封裝方式下更多路光通道的封裝，本發(fā)明實(shí)施例中激光器制作在SOI上，芯片發(fā)光可以直接進(jìn)入光波導(dǎo)中傳輸，不需要額外進(jìn)行耦合，利于集成與批量生產(chǎn)。

為了進(jìn)一步支撐本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)于三五族有源層波導(dǎo)2和聚合物波導(dǎo)3之間如何進(jìn)行選材及其長度設(shè)置提供可參考依據(jù)，接下來將依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的有益效果：聚合物波導(dǎo)3的dn/dT<0，為負(fù)溫度系數(shù)的材料；三五族有源層波導(dǎo)2的dn/dT>0，為正溫度系數(shù)的材料，兩者組合成FP腔，實(shí)現(xiàn)FP腔內(nèi)的dn/dT＝0，提供一種可行的理論依據(jù)。具體的：

所述三五族有源層波導(dǎo)2的長度L和折射率n，以及聚合物波導(dǎo)3的長度Ls和折射率ns，由上述四個(gè)參數(shù)以及各參數(shù)相對(duì)于溫度的變化系數(shù)，構(gòu)成三五族有源層波導(dǎo)2的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)3的等效波長波動(dòng)因子；

根據(jù)所述三五族有源層波導(dǎo)2的等效波長波動(dòng)因子和聚合物波導(dǎo)3的等效波長波動(dòng)因子之和為零，在確定所述折射率n和折射率ns對(duì)于溫度的變化系數(shù)后，得到所述三五族有源層波導(dǎo)2的長度L和聚合物波導(dǎo)3的長度Ls的長度比例；

依據(jù)所述長度比例制作所述三五族有源層波導(dǎo)2和/或聚合物波導(dǎo)3。

本發(fā)明各實(shí)施例主要通過設(shè)計(jì)三五族有源層波導(dǎo)和硅波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩者之間的模場轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)混合集成耦合。采用負(fù)折射率溫度系數(shù)的波導(dǎo)對(duì)三五族的Laser進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)折射率的熱不敏感，從而達(dá)到工作環(huán)境溫度變化時(shí)，激光器的波長穩(wěn)定在固定的范圍不動(dòng)。同時(shí)由于將三五族集成在SOI上，激光器出光口也是SOI頂層的硅波導(dǎo)，很容易實(shí)現(xiàn)與調(diào)制器、MUX/De-MUX的完全零插損、不需額外工藝加工的耦合對(duì)接，便于硅光產(chǎn)品的集成，以及實(shí)現(xiàn)全光互聯(lián)。

本發(fā)明各實(shí)施例主要通過設(shè)計(jì)三五族有源層波導(dǎo)和硅波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩者之間的模場轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)混合集成耦合。采用負(fù)折射率溫度系數(shù)的波導(dǎo)對(duì)三五族的Laser進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)折射率的熱不敏感，從而達(dá)到工作環(huán)境溫度變化時(shí)，激光器的波長穩(wěn)定在固定的范圍不動(dòng)。同時(shí)由于將三五族集成在SOI上，激光器出光口也是SOI頂層的硅波導(dǎo)，很容易實(shí)現(xiàn)與調(diào)制器、MUX/De-MUX的完全零插損、不需額外工藝加工的耦合對(duì)接，便于硅光產(chǎn)品的集成，以及實(shí)現(xiàn)全光互聯(lián)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括：只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁盤或光盤等。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。