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专利号: 2022113693417
申请人: 无锡学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电气元件
更新日期:2025-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,包括砷化镓衬底(4)、DFB激光器阵列及绝缘体上铌酸锂光波导阵列;所述绝缘体上铌酸锂光波导阵列包括铌酸锂光波导阵列和SiO2层(2),铌酸锂光波导阵列包括若干铌酸锂光波导(100),所述铌酸锂光波导(100)被SiO2层(2)包裹,铌酸锂光波导(100)上沉积有一层SiO2绝缘层以保护铌酸锂光波导(100);所述铌酸锂光波导(100)包括依次连接的铌酸锂光波导输入端(101)、第一锥形过渡波导(102)、铌酸锂光波导传输段(103)、第二锥形过渡光波导(104)、铌酸锂光波导输出端(105);DFB激光器阵列、绝缘体上铌酸锂光波导阵列分别置于砷化镓衬底(4)上,利用晶圆键合技术将DFB激光器阵列键合到砷化镓衬底(4)上,确保DFB激光器阵列的输出光高度与铌酸锂光波导阵列匹配;每个铌酸锂光波导(100)都有一个DFB激光器(13)进行泵浦,将DFB激光器(13)输出的激光耦合进入铌酸锂光波导(100)中;DFB激光器阵列发出的激光分别耦合进入对应的铌酸锂光波导阵列中,激光能够诱导稀土离子发生能级跃迁,进而发出相应波长的光,相应波长的光在前向光栅(9)和后向光栅(10)之间来回振荡,当光达到一定强度,从后向光栅(10)输出激光,最终实现多波长的混合输出。

2.根据权利要求1所述的一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,所述DFB激光器阵列包括若干DFB激光器(13),DFB激光器(13)包括依次连接的n型GaAs盖层、n型AlxGa1-xAs过渡层、n型AlxGa1-xAs限制层、n型AlxGa1-xAs波导层、量子阱有源区、p型AlxGa1-xAs波导层、p型AlxGa1-xAs限制层、p型AlxGa1-xAs过渡层、p型GaAs盖层。

3.根据权利要求2所述的一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,所述DFB激光器(13)上设置有p面金属电极(11)和n面金属电极(12),p面金属电极(11)和n面金属电极(12)用于为DFB激光器(13)提供电连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,所述DFB激光器阵列的制备方法包括以下步骤:采用MOCVD金属有机化学气相沉积的方法对DFB激光器(13)进行外延生长,依次外延生长n型GaAs盖层,n型AlxGa1-xAs过渡层,n型AlxGa1-xAs限制层,n型AlxGa1-xAs波导层,量子阱有源区,p型AlxGa1-xAs波导层,p型AlxGa1-xAs限制层,p型AlxGa1-xAs过渡层,p型GaAs盖层;外延生长完毕后,对DFB激光器(13)进行光栅刻蚀;在DFB激光器(13)的反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜,得到DFB激光器(13),多个DFB激光器(13)构成DFB激光器阵列。

5.根据权利要求4所述的一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,n型GaAs盖层,掺杂浓度为1×1017 ~ 5×1019 cm-3;n型AlxGa1-xAs过渡层,掺杂浓度为5×1017 ~ 1×1019 cm-3;n型AlxGa1-xAs限制层,掺杂浓度为1×1018 ~ 1×1019 cm-3;n型AlxGa1-xAs波导层,不掺杂;量子阱有源区;p型AlxGa1-xAs波导层,不掺杂;p型AlxGa1-xAs限制层,掺杂浓度为1×1018 ~ 1×1019 cm-3;p型AlxGa1-xAs过渡层,掺杂浓度为5×1017 ~ 1×1019 cm-3;p型GaAs盖层,掺杂浓度为1×1017 ~ 5×1020 cm-3;高反膜的材料为Ta2O5、Si、HfO2中的一种或多种,增透膜的材料为CeF3、MgF2、Al2O3、ZrO2中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件,其特征在于,所述绝缘体上铌酸锂光波导阵列中的铌酸锂光波导传输段(103)内设有光栅,光栅包括前向光栅(9)和后向光栅(10),前向光栅(9)位置接近第一锥形过渡波导(102),后向光栅(10)位置接近第二锥形过渡光波导(104)。

7.一种根据权利要求1、6任一项所述的激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件中绝缘体上铌酸锂光波导阵列的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:

步骤1:利用PECVD等离子体增强化学的气相沉积法在铌酸锂单晶片(1)上沉积SiO2层(2);

步骤2:沉积SiO2层(2)后,利用高能离子注入技术对铌酸锂单晶片(1)进行H、He离子注入,形成一层离子注入构成的损伤层(3),其中,离子注入的能量为10~1000keV,注入的剂量为1×1015cm-2~1×1020cm-2;离子注入完毕后,对损伤层(3)和SiO2层(2)进行CMP化学机械抛光,使铌酸锂单晶片(1)表面粗糙度降低至1nm以下;

步骤3:提供一砷化镓衬底(4),将抛光完毕的SiO2层(2)键合至砷化镓衬底(4)上;对砷化镓衬底(4)和SiO2层(2)表面进行活化,活化完毕后,化镓衬底(4)和SiO2层(2)构成的两片晶圆转移至晶圆键合机的腔室内进行晶圆键合,合成为一体,降低腔室内的压强至1×10-5Pa以下,施加键合力为1~100kN,键合时间为1~60min,形成合成后的晶圆键合对;

步骤4:晶圆键合完毕后,将合成后的晶圆键合对转移至退火炉中;缓慢升高退火炉内的温度,温升速率为2℃/min,直至炉内的温度升至100~300℃之间;在升温的过程中,不断向炉内通入高纯氮气,氮气的流速为3~10L/h;当退火时间达到10h时,停止炉内的加热;待腔室内的温度自然冷却至室温后,取出腔室中的晶圆键合对;铌酸锂单晶片(1)中的损伤层(3)在高温的作用下发生膨胀,在SiO2层(2)剥离一层薄薄的铌酸锂薄膜;

步骤5:当SiO2层(2)上的铌酸锂薄膜剥离完毕后,使用CMP化学机械抛光工艺对SiO2层(2)表面进行抛光,使SiO2层(2)表面变得光滑;抛光完毕后,在铌酸锂薄膜表面上旋涂一层光刻胶(5),并对光刻胶(5)进行软烘;烘烤完毕后,利用紫外光(7)和掩模版(6)对光刻胶(5)进行曝光;曝光完毕后,对光刻胶(5)进行显影、坚膜和清洗,从而在光刻胶(5)上形成一条或数条沟道;沟道的宽度为0.4~2μm,沟道的间距至少为200nm;然后将铌酸锂薄膜转移至离子注入机内的腔室中,对光刻胶(5)的沟道进行离子注入,形成离子注入层(8),注入的离子为稀土离子,稀土离子的注入能量为0.1~100MeV,注入的剂量为0.5×1015cm-2~1×1020cm-2;离子注入完毕后,将铌酸锂薄膜表面上的光刻胶(5)清洗去除;

步骤6:光刻胶(5)去除完毕后,进行铌酸锂光波导(100)的刻蚀;首先用负色调电子束抗蚀剂进行区域的选定,然后通过反应离子刻蚀将掩模版(6)上的图案(14)转移至铌酸锂薄膜的离子注入层(8)中,形成铌酸锂光波导(100),所述铌酸锂光波导(100)包括依次连接的铌酸锂光波导输入端(101)、第一锥形过渡波导(102)、铌酸锂光波导传输段(103)、第二锥形过渡光波导(104)、铌酸锂光波导输出端(105),铌酸锂光波导(100)的刻蚀深度为200~900nm;铌酸锂光波导(100)刻蚀完毕后,对铌酸锂光波导(100)进行前向和后向的光栅刻蚀,形成前向光栅(9)和后向光栅(10);每个稀土离子的离子注入层(8)对应刻蚀出一个铌酸锂光波导(100),刻蚀多个铌酸锂光波导(100),多个铌酸锂光波导(100)形成铌酸锂光波导阵列,绝缘体上铌酸锂光波导阵列制备完成。

8.根据权利要求7所述一种绝缘体上铌酸锂光波导阵列的制备方法,其特征在于,步骤6中铌酸锂光波导阵列制备完成后在铌酸锂光波导(100)表面沉积一层SiO2绝缘层以保护铌酸锂光波导(100);SiO2绝缘层厚度为0.1μm~10μm;DFB激光器(13)靠近铌酸锂光波导输入端(101)用于将激光射入铌酸锂光波导输入端(101)。

9.一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件的制备方法,其特征在于,包括权利要求4所述的DFB激光器阵列的制备方法及权利要求7至8任一项所述的绝缘体上铌酸锂光波导阵列的制备方法,具体如下:

步骤1:制备绝缘体上铌酸锂光波导阵列;

步骤2:制备DFB激光器阵列;

步骤3:将DFB激光器阵列键合到砷化镓衬底(4)上,确保DFB激光器阵列的输出光高度与绝缘体上铌酸锂光波导阵列上铌酸锂光波导的匹配。