[发明专利]一种纳米压印制备多波长硅基混合激光器阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅基光电子器件领域中硅基混合激光器及其制备方法，特别是涉及一种利用纳米压印技术制备多波长电泵键合硅基混合激光器阵列的方法。

背景技术

随着硅光子学的日趋成熟，在硅光互连与光电集成技术中，关键问题就是硅基光源，而硅基电泵激光则是硅基光源研究的终极目标，也是目前硅光子学中最重要的研究课题之一。

近些年来，人们在硅基光源的研究方面取得了一系列的进展，例如硅上外延III-V族半导体材料、硅与半导体纳米线形成发光异质结、受激拉曼激光等等。但是，这些方法尚无法实现实用化的硅基电泵激光。最近，人们提出了一种能够实现电泵硅基激光的方法，即键合方法。这种方法是将目前已经发展成熟的半导体激光器键合在硅波导上，将激光器中的光耦合到硅波导中，从而实现了硅基电泵激光。

目前所实现的电泵键合硅基混合激光器主要是单波长输出的，多波长输出的工艺非常复杂。然而，在光互连或光通信中，多波长激光器阵列有着十分重要的应用，例如它可以作为系统中波分复用器（WDM）的多通道光源。与固定单波长的激光器相比，多波长激光器阵列或波长可调谐的激光器能对光通信系统进行灵活多变的结构重新配置，使互连网络系统更高效等优点。目前，在光互连中，多波长混合激光器阵列是通过在芯片上封装几个不同波长的单模激光器或单个多波长激光器阵列。单模激光器或多波长激光器阵列的光栅通常做在上分别限制（SCH）层之上，这样刻完光栅后还需要进行再次外延，工艺复杂，周期长，成本高。而且对于单模激光器，还需要进行多次封装。因此上述方法存在着工艺复杂、成本高、周期长，加工面积小，不适宜大规模生产等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种可以实现多波长电泵键合硅基混合激光器阵列的制备方法。该方法利用纳米压印技术在SOI（Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅）片的硅层上压印出具有多波长光栅结构的硅波导阵列图形，然后再利用刻蚀技术在SOI片的硅层上制备上述图形，最后将相应的多量子阱光增益结构阵列键合在图形化的SOI片上。这种将调制光栅做到硅波导上的方法，解决了在多量子阱光增益结构上做光栅的工艺复杂问题，并且只需要一次键合，具有工艺简单，成本低，周期短，能大面积、大规模生产，并且能够在较大的范围内调节该混合激光器的输出波长等优点。

本发明的特色在于：利用纳米压印技术在SOI片的硅层上压印出具有多波长取样分布布拉格反射式（DBR）或分布反馈式（DFB）光栅结构的硅波导阵列图形；然后利用刻蚀技术在SOI片硅层上制备具有多波长光栅结构的硅波导阵列，即该硅波导阵列具有多波长光栅结构，通过硅波导上不同参数的光栅可调制其出射波长；制备相应的多量子阱光增益结构阵列，该多量子阱光增益结构阵列中的每个多量子阱光增益结构与SOI片上硅波导阵列中的每个硅波导相对应（比如是四波长的，SOI片就有四个硅波导，并且每个硅波导上都有相应波长的光栅，而上层多量子阱光增益结构阵列应包含四个相同的多量子阱光增益结构，每个多量子阱光增益结构中的光以倏逝波的方式耦合到其正下方硅波导中，并经过该硅波导上相应波长的光栅进行调制，从而实现多波长的硅基混合激光器阵列；取样DBR光栅在硅波导光耦合区的两侧，取样DFB光栅在硅波导光耦合区的下方；硅波导两侧区域是键合区）；采用选区金属键合的方法将多量子阱光增益结构阵列和具有多波长光栅结构的SOI硅波导阵列进行键合，即可完成多波长硅基混合激光器阵列的制备。多量子阱光增益结构阵列中的光以倏逝波的方式耦合到硅波导阵列中，并经过硅波导上相应的光栅进行调制，通过改变光栅的参数（深度，周期，占空比等），可实现多波长的电泵键合硅基混合激光器阵列。

本发明的最终结构示意图如图1所示，这是一个八波长的电泵键合硅基混合激光器阵列。自下而上依次为图形化的SOI，键合金属层和多量子阱光增益结构阵列。在本结构中，可采取选区金属键合方法。在制备图形化的SOI结构时，首先利用纳米压印技术在SOI片上压印出具有多波长取样DBR光栅结构的硅波导阵列图形，然后利用刻蚀技术在SOI片的硅层上制备出具有多波长光栅结构的硅波导阵列。最后在硅波导两侧，蒸发金属层，作为键合区。键合金属采用Cr/AuSn多层结构，Cr的作用是提高AuSn合金与SOI的黏附性。在本结构中，我们所选择的多量子阱光增益结构阵列为在p型InP衬底上外延的InP基掩埋脊波导光增益结构阵列，并且该多量子阱光增益结构阵列中的每个多量子阱光增益结构与SOI结构硅波导阵列中的每个硅波导相对应。

本发明的技术方案是：