一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构及其制备方法

本发明涉及半导体光电子技术领域，更具体的说是涉及一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构生长及其制备方法。

背景技术：

基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导适合于军事、工业、航空、航天系统集成开发。军事方面，基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导可以用于激光制导、抗激光干扰、气体探测等方面；工业方面，基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导可以用于原子/分析光谱、特种气体检测；航空航天方面，基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导可以用于激光雷达、气源分析等方面。未来，基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导技术将催生新一代光电子器件技术、材料科学、探测技术、化学分析、新型激光器等学科的发展。

目前，基于goi或soi的光波导技术是研究的前沿和应用的热点。而波长可调谐技术分为内腔和外腔。内腔受制于增益带宽的限制，可调范围较小，仅仅十几纳米；外腔可调范围大，可达几十纳米。以往的外腔波长可调技术采用单循环技术，即光输入之后，光被调制后，反馈效率低。目前为止，还没有波长可调谐范围如此宽的单模、窄线宽、宽波长可调范围的波导结构出现。而其他结构，工艺复杂、成本高、性能差、功能不全，不利于相关应用及技术的进步与发展。

因此，如何研制一种基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构，从下之上依次包括：衬底、绝缘介质低折射率层和晶体层；

所述衬底上表面上依次向上设置有所述绝缘介质低折射率层和所述晶体层；

在所述晶体层制备光波传导调制环、反馈环、连接波导结构、分束/合束器和输入/输出波导结构；且所述光波传导调制环和所述反馈环上均设置有加热电极；

其中，所述光波导调制环包括粗调环和微调环，且所述粗调环与所述微调环通过所述连接波导结构相连通；所述反馈环通过连接波导结构与所述分束/合束器相连通；所述分束/合束器通过所述连接波导结构与所述微调环相连通；所述粗调环与所述输入/输出波导结构相连通；

所述输入/输出波导结构与输出腔面之间设有倾角，其中所述输出腔面为所述输入/输出波导末端所在的平面。

优选的，所述衬底的厚度为300-500μm；所述衬底包括单晶硅衬底或单晶锗衬底；所述绝缘介质低折射率层厚度为50-200nm，所述晶体层厚度为100-400nm；所述绝缘介质低折射率层包括二氧化硅绝缘介质层或者三氧化二铝绝缘介质层；所述晶体层包括单晶硅层或者锗层。

优选的，所述粗调环和所述微调环的厚度均为0.1-0.45μm，环宽为200-5000nm，半径为5-60μm；所述反馈环的厚度为0.1-0.45μm，环宽200-5000nm，半径10-80μm；所述连接波导结构的厚度为0.1-0.45μm，所述分束/合束器的厚度为0.1-0.45μm，环宽200-5000nm，外切环半径10-80μm；所述加热电极宽度均等于或小于环的宽度，所述加热电极包括钛层或金层，其中，所述钛层厚度为50-150nm，所述金层厚度则为100-300nm；所述输入/输出波导结构与所述输出腔面的倾角范围为5-15°。

一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的制备方法，包括以下主要步骤：

(1)在goi或soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层；

(2)通过正版正胶光刻方法，在沉积的200-350nm厚二氧化硅或氮化硅层上光刻出光波传导调制环、反馈环、连接波导结构、分束/合束器和输入/输出波导图形；

(3)通过rie对光刻胶和二氧化硅或氮化硅层进行选择性刻蚀，刻蚀穿没有被光刻胶遮挡的二氧化硅或氮化硅层，形成带有光刻胶及其下的二氧化硅或氮化硅波导盖层；

(4)去掉二氧化硅或氮化硅波导盖层上的光刻胶；

(5)通过deeprie进行二氧化硅或氮化硅层与硅或锗层选择性刻蚀，形成具有一定深度或者厚度、宽度的光波传导调制环、反馈环、连接波导结构、分束/合束器和输入/输出波导区；

(6)通过正版正胶负用套刻方法，在步骤(2)光刻所形成的图形上进行图形对准光刻，实现环形区上波导电极区；

(7)通过磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛层或金层；

(8)剥离工艺去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛金膜层。

优选的，步骤(1)中，所述goi或soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层，厚度为200-350nm。

优选的，步骤(3)中，所述光刻胶与二氧化硅或者氮化硅的选择性刻蚀的具体内容为：选择rie对二氧化硅或者氮化硅的刻蚀速率与对光刻胶刻蚀速率比为3-10。

优选的，步骤(4)中的具体步骤为：通过将样品放置于纯丙酮中浸泡5-10分钟，温度70-120度，反复浸泡3-5次。

优选的，步骤(5)中，所述通过deeprie对硅或锗层与二氧化硅或氮化硅层选择性刻蚀，硅或锗层对二氧化硅或氮化硅层选择刻蚀速率比为6-20，从而形成具有一定深度或者厚度的光波传导调制环、反馈环、连接波导结构、分束/合束器和输入/输出波导区。

优选的，步骤(7)中，所述磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛层或金层，沉积温度控制在120℃以下，钛层厚度50-150nm，金层厚度100-300nm。

优选的，步骤(8)中，所述剥离工艺具体内容为：通过将样品放置于纯丙酮中5-10分钟，温度70-120度，反复3-5次，直至去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛层和金层为止。

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多环高效外腔波长可调光反馈波导结构及其制备方法，本发明中的多环光反馈结构、制备工艺简单，成本低，提高了进入该结构波导的光反馈效率和光调制效率，为外腔半导体激光器和光反馈结构提供了高的光反馈效率和高的调制效率，有利于实现光的外腔调制和外腔激光器的高功率输出，且该波导结构具有较宽的波长可调的优势，能有效适用于各种波长的、集成的环形半导体激光器，实用性强。

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附图为本发明提供的一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构结构俯视图；

图2附图为本发明实施例1提供的一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的波长输出光谱功率波形图；

图3附图为本发明实施例2提供的一种多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的波长输出光谱功率波形图；

其中，1-粗调环加热负电极，2-粗调环加热正电极，3-微调环加热负电极，4-微调环加热正电极，5-反馈环加热正电极，6-反馈环加热负电极，7-粗调环，8-微调环，9-反馈环，10-分束/合束器，11-长波导，12-短波导，13-输入/输出波导结构，14-输出腔面。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构，从下之上依次包括：衬底、绝缘介质低折射率层和晶体层；

衬底上表面上依次向上设置有绝缘介质低折射率层和晶体层；

晶体层的上表面为输出腔面14，输出腔面14上设置有光波传导调制环、反馈环9、连接波导结构、分束/合束器10和输入/输出波导13结构；且光波传导调制环和反馈环9上均设置有加热电极；

其中，光波导调制环包括粗调环7和微调环8，且粗调环7与微调环8相连通；反馈环9通过连接波导结构与分束/合束器10相连通；分束/合束器10通过连接波导结构与微调环8相连通；粗调环7与输入/输出波导13结构相连通；

输入/输出波导13结构与输出腔面14之间设有倾角，其中输出腔面14为输入/输出波导13末端所在的平面。

需要说明的是：在本实施例中，连接波导结构包括长波导11和短波导12，其中反馈环9通过短波导12与分束/合束器10相连通；分束/合束器10通过长波导11与微调环8相连通。粗调环7上设置有粗调环加热负电极1和粗调环加热正电极2，微调环8上设置有微调环加热负电极3和微调环加热正电极4，反馈环9上设置有反馈环加热正电极5和反馈环加热负电极6。

为了进一步实施上述技术方案，所述单晶硅厚度为300μm。

为了进一步实施上述技术方案，所述衬底上表面依次生长的绝缘介质低折射率层二氧化硅厚度为50-200nm,其上单晶硅层厚度为100nm。

一种基于soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构，所述两个光波传导调制环波导层的厚度为0.1μm，环宽600nm，半径分别为16.8和16.2μm；一个反馈环9波导层的厚度为0.1μm，环宽600nm，半径40μm；三个直波导结构波导层的厚度为0.1μm，一个分束/合束器10波导层的厚度为0.1μm，环宽600nm，外切环半径40μm。

为了进一步实施上述技术方案，所述光波传导调制环和反馈环9上，制备出加热电极，加热电极材料为钛/金层，钛层厚度为50nm，金层厚度为200nm，其宽度均为等于或小于环的宽度。

为了进一步实施上述技术方案，所述输入/输出波导13与输出腔面14有一定倾角，该倾角的范围为5.5°。

需要说明的是：

引入反馈环结构，降低波导内光的无效输出损耗，大幅增加光反馈的能力，大幅优于目前使用dbr作为腔面反射镜的结构，降低了工艺难度和光反馈效率。

一种基于soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的制备方法，包括以下主要步骤：

(1)在soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层；

(2)通过正版正胶光刻方法，在沉积的200nm厚二氧化硅或氮化硅层上光刻出全部波导图形；

(3)通过rie对光刻胶和二氧化硅或氮化硅层进行选择性刻蚀，刻蚀穿没有被光刻胶遮挡的二氧化硅或氮化硅层，形成带有光刻胶及其下的二氧化硅或氮化硅波导盖层；

(4)去掉二氧化硅或氮化硅波导盖层上的光刻胶；

(5)通过deeprie进行二氧化硅或氮化硅层与硅或锗层选择性刻蚀，形成具有一定深度或者厚度的全部波导区；

(6)通过正版正胶负用套刻方法，实现环形区上波导电极区；

(7)通过磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛/金膜；

(8)剥离工艺去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛金膜层。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(1)中，所述soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层，厚度为200nm，材料为多晶或单晶。

一种基于soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的制备方法，所述步骤(2)中，正版是透光区多的光刻板；正胶是指经过曝光后的光刻胶经显影后，能够先被显影液溶解掉的光刻胶。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(3)中，所述光刻胶与二氧化硅或者氮化硅的选择性刻蚀，是指rie对光刻胶刻蚀速率与rie对二氧化硅或者氮化硅的刻蚀速率有明显差异，对后者的刻蚀速率是前者的10倍，合适的刻蚀速率选择比是保证刻穿二氧化硅或者氮化硅层的前提条件。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(4)中，所述去掉二氧化硅或氮化硅波导盖层上的光刻胶，即通过将样品放置于纯丙酮中5分钟，温度120度，反复3次。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(5)中，所述通过deeprie对硅或锗层与二氧化硅或氮化硅层选择性刻蚀，前者对后者选择刻蚀速率比为10，从而形成具有一定深度或者厚度的全部波导区。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(6)中，所述正版正胶负用套刻方法，即正版是透光区多的光刻板，正胶是指经过曝光后的光刻胶经显影后，能够先被显影液溶解掉的光刻胶，套刻是指在步骤(2)光刻所形成的图形上进行图形对准光刻。最后在环形区上形成波导的电极区。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(7)中，所述磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛/金膜，沉积温度控制在120℃以下，钛层厚度50nm，金层厚度200nm。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(8)中，所述剥离工艺，即通过将样品放置于纯丙酮中5分钟，温度120度，反复3次，直至去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛金膜层为止。

采用上述的有益效果：实现了高效、较大功率、单模、较宽波长可调范围、窄线宽的光反馈外腔波导结构及器件。

由附图2中可以看出波长可调谐范围增宽，可调波长在1881-1947nm区间，每个波长输出光谱功率相差不大。

实施例2

如图1所示，本实施例提供了一种基于goi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构，包括：

衬底，所述衬底为单晶锗衬底；

在所述衬底上表面依次生长的绝缘介质低折射率层三氧化二铝、单晶硅层或者锗层；

在上述所述结构上，通过刻蚀方法制备出两个光波传导调制环，一个反馈环9，三个直波导结构，一个分束/合束器10；

在上述所述光波传导调制环和反馈环9上，制备出加热电极；

所述输入/输出波导13与输出腔面14有一定倾角。

需要说明的是：在本实施例中，连接波导结构包括长波导11和短波导12，其中反馈环9通过短波导12与分束/合束器10相连通；分束/合束器10通过长波导11与微调环8相连通。粗调环7上设置有粗调环加热负电极1和粗调环加热正电极2，微调环8上设置有微调环加热负电极3和微调环加热正电极4，反馈环9上设置有反馈环加热正电极5和反馈环加热负电极6。

为了进一步实施上述技术方案，所述单晶硅或单晶锗衬底的厚度为500μm。

为了进一步实施上述技术方案，所述衬底上表面依次生长的绝缘介质低折射率层二氧化硅或者三氧化二铝厚度为100nm,其上单晶硅层或者锗层厚度为200nm。

为了进一步实施上述技术方案，所述两个光波传导调制环波导层的厚度为0.2μm，环宽600nm，半径分别为16.8和16.2μm；一个反馈环9波导层的厚度为0.1μm，环宽800nm，半径40μm；三个直波导结构波导层的厚度为0.2μm，一个分束/合束器10波导层的厚度为0.2μm，环宽800nm，外切环半径60μm。

为了进一步实施上述技术方案，所述光波传导调制环和反馈环9上，制备出加热电极，加热电极材料为钛/金层，钛层厚度为50nm，金层厚度为200nm，其宽度均为等于或小于环的宽度。

为了进一步实施上述技术方案，所述输入/输出波导13与输出腔面14有一定倾角，该倾角的范围为12°。

一种基于goi或soi上的多环高效外腔波长可调光反馈波导结构的制备方法，包括以下主要步骤：

(1)在goi或soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层；

(2)通过正版正胶光刻方法，在沉积的200nm厚二氧化硅或氮化硅层上光刻出全部波导图形；

(3)通过rie对光刻胶和二氧化硅或氮化硅层进行选择性刻蚀，刻蚀穿没有被光刻胶遮挡的二氧化硅或氮化硅层，形成带有光刻胶及其下的二氧化硅或氮化硅波导盖层；

(4)去掉二氧化硅或氮化硅波导盖层上的光刻胶；

(5)通过deeprie进行二氧化硅或氮化硅层与硅或锗层选择性刻蚀，形成具有一定深度或者厚度的全部波导区；

(6)通过正版正胶负用套刻方法，实现环形区上波导电极区；

(7)通过磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛/金膜；

(9)剥离工艺去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛金膜层。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(1)中，所述goi或soi上磁控溅射或者电子束蒸发沉积一层二氧化硅或氮化硅层，厚度为200nm，材料为多晶或单晶。

为了进一步实施上述技术方案，所述步骤(2)中，正版是透光区多的光刻板；正胶是指经过曝光后的光刻胶经显影后，能够先被显影液溶解掉的光刻胶。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(3)中，所述光刻胶与二氧化硅或者氮化硅的选择性刻蚀，是指rie对光刻胶刻蚀速率与rie对二氧化硅或者氮化硅的刻蚀速率有明显差异，对后者的刻蚀速率是前者的10倍，合适的刻蚀速率选择比是保证刻穿二氧化硅或者氮化硅层的前提条件。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(4)中，所述去掉二氧化硅或氮化硅波导盖层上的光刻胶，即通过将样品放置于纯丙酮中5分钟，温度120度，反复3次。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(5)中，所述通过deeprie对硅或锗层与二氧化硅或氮化硅层选择性刻蚀，前者对后者选择刻蚀速率比为10，从而形成具有一定深度或者厚度的全部波导区。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(6)中，所述正版正胶负用套刻方法，即正版是透光区多的光刻板，正胶是指经过曝光后的光刻胶经显影后，能够先被显影液溶解掉的光刻胶，套刻是指在步骤(2)光刻所形成的图形上进行图形对准光刻。最后在环形区上形成波导的电极区。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(7)中，所述磁控溅射或者电子束蒸发方式依次沉积钛/金膜，沉积温度控制在120℃以下，钛层厚度50nm，金层厚度200nm。

为了进一步实施上述技术方案，步骤(8)中，所述剥离工艺，即通过将样品放置于纯丙酮中5分钟，温度120度，反复3次，直至去掉电极区之外的光刻胶和其上的钛金膜层为止。

采用上述的有益效果：实现了高效、大功率、单模、宽波长可调范围、窄线宽的光反馈外腔波导结构及器件。

由附图3中可以看出波长可调谐范围增宽，可调波长在1854-1942nm区间，输出光谱功率基本相同。

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。