[发明专利]一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法，其中，激光器包括SOI衬底、以及位于SOI衬底上的有源区和无源区，有源区包括多量子阱区，多量子阱区与位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P‑I‑N结构；无源区包括波导、波导光栅和锥形耦合器，多量子阱区的两端分别设有一锥形耦合器，其中，一锥形耦合器与所述波导连接，另一锥形耦合器与波导光栅连接。本发明通过将多量子阱区与位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P‑I‑N结构，一方面降低了多量子阱区厚度，有利于多量子阱区与波导之间实现折射率匹配，提高光场在两种波导之间的耦合效率；另一方面减小P型区域和N型区域的相对面积，增加电极之间的距离，降低寄生电容，提升激光器的调制带宽。

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法。

背景技术

随着数据流量的快速增长，对低成本、低尺寸、低功耗的高容量光发射机的需求越来越大。硅光子学平台是大规模生产PICs的一个很好的候选者，因为它使我们能够在成熟的大型硅晶片上制造高密度和高良率的光子器件。在过去的几年里，硅光技术已经被广泛应用于数据通信，由于硅是一种间接带隙半导体，硅光子学平台的主要问题是硅衬底上的激光光源集成，硅无源材料与III-V族有源材料混合集成是利用硅平台提供集成激光光源的最有效方法。

目前，大多数将III-V族有源材料集成在SOI波导上，采用的有源层结构都是垂直的P-I-N结构，为了增加光场和金属电极之间的距离，III-V有源层材料厚度将达到2μm左右，这样导致了III-V有源层波导和硅波导之间的折射率失配，需要更厚的Si波导来实现高效耦合，因此需要额外的制作硅波导刻蚀和生长工艺改变其厚度，这些方法增加了硅层的厚度变化和表面粗糙度，由于传播损耗的增加，导致器件性能下降，同时也增加了工艺的复杂性和成本，不利于III-V有源结构和SOI波导之间的集成。此外，混合集成的激光器采用直接调制时其调制速率往往受限于其腔长，调制速率较低，难以实现高速直接调制，一般采用外调制方案，需要额外的外调制器件。

发明内容

针对以及现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种混合集成谐振腔激光器及其制备方法，以解决混合集成谐振腔激光器的调制速率受限的问题。

本发明一方面提供的一种混合集成谐振腔激光器，包括SOI衬底、以及位于所述SOI衬底上的有源区和无源区，

所述有源区包括多量子阱区，所述多量子阱区与分别位于其左右两侧的P型InP和N型InP构成侧向P-I-N结构；

所述无源区包括波导、波导光栅和锥形耦合器，所述多量子阱区的两端分别设有一所述锥形耦合器，其中，一所述锥形耦合器与所述波导连接，另一所述锥形耦合器与所述波导光栅连接。

进一步的，所述多量子阱区为InGaAsP/InGaAlAs量子阱结构。

进一步的，所述多量子阱区通过键合方式设在所述SOI衬底上，且所述多量子阱区的上方和下方分别覆盖有二氧化硅层。

进一步的，所述锥形耦合器包括锥形硅基波导和位于所述锥形硅基波导上方的锥形InP波导，且锥形硅基波导和锥形InP波导形成的锥形耦合区长度为20-50μm。

进一步的，所述DBR波导光栅上覆盖有热电极。

进一步的，所述波导为Slot波导，所述波导光栅为DBR波导光栅，其中，所述Slot波导和所述DBR波导光栅均为单模波导，所述Slot波导和所述DBR波导光栅的厚度均为220nm、宽度均为400nm；且所述波导和波导光栅的上方和下方均分别覆盖有二氧化硅层。

进一步的，所述slot波导具有两段刻蚀槽，所述刻蚀槽的刻蚀宽度为1μm、刻蚀深度为220nm；所述DBR波导光栅的光栅刻蚀深度为30-80nm、长度为100-500微米。