一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件

技术领域

本发明涉及波导技术领域，特别是涉及一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件。

背景技术

能将吸收的能量以光子形式释放的物质被称为发光材料，自然界中的发光物质众多，但多数为人工合成。通常发光材料都是由基质化合物和激活剂构成，其中一些过渡金属(Ag、Cu、Mn、Bi、Pb)和稀土元素充当了激活剂。而稀土发光材料是一种以人工合成的化合物作为基质，镧系稀土离子作为激活剂的发光材料。稀土元素共有17种，均位于周期表的第三副族。其中15种镧系元素位于同一周期，另外两个分别是钪元素和钇元素。由于稀土元素原子的4f或5d电子组态处于未充满状态，且外界对其具有屏蔽作用，因此稀土元素原子具有丰富的电子能级，能实现跃迁的能级通道接近二十万个，其中可观察到的谱线多达三万多条，因此稀土发光材料发光范围包含了紫外、可见和近红外光区域，这也是稀土发光材料的发光颜色极其丰富的原因之一，特别是在可见光范围内的发射效率很强，这种发光特性使稀土发光材料在整个发光材料的研究与应用中保持着主导地位。

LiNbO

发明内容

本发明提供一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件，用于在同一基质材料增加发光模式，获得多模的动态防伪效果，在同一基质中实现多色转换发光，实现高级别的发光防伪策略。

为实现上述效果，本发明的技术方案如下：

一种DFB激光器阵列，包括若干DFB激光器，DFB激光器包括依次连接的n型GaAs盖层、n型Al

进一步的，所述DFB激光器上设置有p面金属电极和n面金属电极，p面金属电极和n面金属电极用于为DFB激光器提供电连接。

一种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激光器进行外延生长，依次外延生长n型GaAs盖层，n型Al

需要说明的是，DFB激光器、p面金属电极和n面金属电极形成DFB激光芯片结构，DFB激光器通过p面金属电极和n面金属电极通电进行出光。p面金属电极和n面金属电极构成金属电极。铌酸锂光波导为脊波导。光栅采用Bragg光栅。

进一步的，n型GaAs盖层，掺杂浓度为1×10

需要说明的是，Al

需要说明的是，DFB激光器光栅周期、占空比、刻蚀深度根据实际需要确定。DFB激光器中的量子阱有源区的材料为GaAs、In

一种绝缘体上铌酸锂光波导阵列，包括铌酸锂光波导阵列和SiO

进一步的，所述铌酸锂光波导传输段内设有光栅，光栅包括前向光栅和后向光栅，前向光栅位置接近第一锥形过渡波导，后向光栅位置接近第二锥形过渡光波导。

需要说明的是，铌酸锂光波导传输段的长度和宽度依据需要设定。SiO

需要说明的是，前向光栅和后向光栅通过刻蚀形成，前向光栅具有全反射作用，后向光栅具有半反半透的作用，输入铌酸锂光波导内的激光可以在在前向光栅和后向光栅之间进行振荡，当光强达到一定程度后，从后向光栅输出激光。

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，包括如下步骤：

步骤1：提供一片铌酸锂单晶片，利用PECVD等离子体增强化学的气相沉积法在铌酸锂单晶片上沉积SiO

步骤2：沉积SiO

步骤3：提供一砷化镓衬底，将抛光完毕的SiO

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；铌酸锂单晶片中的损伤层在高温的作用下发生膨胀，在SiO

步骤5：当SiO

步骤6：光刻胶去除完毕后，进行铌酸锂光波导的刻蚀；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上的图案转移至铌酸锂薄膜的离子注入层中，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，铌酸锂光波导的刻蚀深度为200～900nm；对铌酸锂光波导进行前向和后向的光栅刻蚀，形成前向光栅和后向光栅；每个稀土离子的离子注入层对应刻蚀出一个铌酸锂光波导，刻蚀多个铌酸锂光波导，多个铌酸锂光波导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。

需要说明的是，步骤5中所述对光刻胶的沟道进行离子注入，每条沟道内注入的离子为相同的离子或互不相同的离子。步骤6中反应离子中的离子为氩离子、氧离子、氮离子中的一种或多种；前向光栅和后向光栅刻蚀采用飞秒脉冲激光进行刻蚀。DFB激光器输出的光束高度与铌酸锂光波导输入端的高度可以通过p面金属电极和n面金属电极沉积的厚度来进行微调。对于铌酸锂薄膜的稀土离子掺杂，既可以选用离子注入技术，也可以选用热扩散技术；铌酸锂光波导中注入的稀土离子可以相同，也可以互不相同。图案指刻蚀铌酸锂光波导所用的图案。

步骤6中所述铌酸锂光波导输入端和铌酸锂光波导输出端的宽度均为0.2～10μm，第一锥形过渡波导和第二锥形过渡光波导的长度均大于10μm，铌酸锂光波导传输段的宽度设置为400～900nm；铌酸锂光波导输入端和铌酸锂光波导输出端的长度、第一锥形过渡波导和第二锥形过渡光波导的宽度、铌酸锂光波导传输段的长度均依据需要设定。

稀土离子是指元素周期表中ⅢB族原子序数为21的钪(Sc)、39的钇(Y)和57的镧(La)至71的镥(Lu)的镧系元素等十七种元素。其中，镧系元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)，铕(Eu)、钆(Gd)，铽(Tb)，镝(Dy)，钬(Ho)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，镥(Lu)。

进一步的，步骤3中键合的方式为等离子体活化键合法，等离子体活化键合法的等离子体源为氩离子、氧离子、氮离子中的一种或多种。

进一步的，步骤6中铌酸锂光波导阵列制备完成后在铌酸锂光波导表面沉积一层SiO

需要说明的是，DFB激光器发出的激光通过前向光栅后可以激发前向光栅和后向光栅之间的稀土离子发生能级跃迁产生光子。

所述砷化镓衬底也可以为硅衬底、氮化镓衬底、金刚石衬底、磷化铟衬底等其它衬底。

一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件，包括DFB激光器阵列、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和砷化镓衬底，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上，利用晶圆键合技术将DFB激光器键合到砷化镓衬底上，确保DFB激光器的输出光高度与铌酸锂光波导匹配；每个铌酸锂光波导都有一个DFB激光器进行泵浦，通过光模式匹配，将DFB激光器输出的激光耦合进入铌酸锂光波导中；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和后向光栅之间来回振荡，当光达到一定强度，从后向光栅输出激光，最终实现多波长的混合输出。

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，包括所述的DFB激光器阵列的制备方法及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：利用砷化镓衬底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。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明采用离子注入技术对光刻胶的沟道进行离子注入，晶圆键合技术将砷化镓衬底和SiO

附图说明

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

图1为铌酸锂单晶片示意图；

图2为在所述铌酸锂单晶片上沉积一层SiO

图3为向铌酸锂单晶片中离子注入形成一层损伤层示意图；

图4为对铌酸锂单晶片上的SiO

图5为提供一砷化镓衬底示意图；

图6为将铌酸锂单晶片键合到砷化镓衬底上示意图；

图7为经过退火工艺在SiO

图8为在SiO

图9为对光刻胶进行掩模和紫外曝光示意图；

图10为对光刻胶进行显影、坚膜示意图；

图11为对铌酸锂薄膜进行稀土离子注入示意图；

图12为铌酸锂薄膜中注入稀土离子的俯视图；

图13为刻蚀成铌酸锂光波导的侧视图；

图14为在铌酸锂薄膜区中制备铌酸锂光波导示意图；

图15为将DFB激光器集成在砷化镓衬底上的示意图；

图16为实施例3中光子器件结构示意图；

附图标记说明：1.铌酸锂单晶片；2.SiO

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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，都是本发明保护的范围。

实施例1

为了便于理解，请参阅图1-图16，本实施例提供一种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Al

一种绝缘体上铌酸锂光波导阵列，包括铌酸锂光波导阵列和SiO

所述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。

需要说明的是，DFB激光器13中光栅的周期以及光栅刻蚀的深度根据具体情况进行选定。所述铌酸锂光波导100中的前向光栅9和后向光栅10对数和间距依据光学耦合模理论进行计算得出。铌酸锂光波导100为脊型光波导，利用DFB激光器13输出的激光泵浦铌酸锂光波导100中掺杂的稀土离子进行能级跃迁实现发光。

一种激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件，包括DFB激光器阵列、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和砷化镓衬底4，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。

为了在同一基质材料增加发光模式，获得多模的动态防伪效果，实现高级别的发光防伪策略，本发明选择铌酸锂作为稀土发光材料的基质；通过离子注入和旋涂光刻胶技术，实现在铌酸锂单晶片1的不同部位注入不同的稀土离子；利用晶圆键合技术，实现DFB激光器13集成到砷化镓衬底4上，进而输出激光泵浦铌酸锂材料中的稀土离子实现能级跃迁，实现多种波长的混合输出。

本发明光子器件集成多个DFB激光器13和铌酸锂光波导100，可以实现多个波段的光输出，可以实现多模动态的防伪效果；同时，本发明光子器件结构紧凑，集成度高，可以广泛应用于大规模光子器件的集成。可以在同一基质材料增加发光模式，获得多模的动态防伪效果，在同一基质中实现多色转换发光，实现高级别的发光防伪策略。

实施例2

具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：

在铌酸锂光波导100注入的离子相同的情况下，光子器件制备方法包括以下步骤：

步骤1：提供一片铌酸锂单晶片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上沉积厚度为2μm厚的SiO

步骤2：SiO

步骤3：提供一砷化镓衬底4，将抛光完毕的SiO

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200℃；在升温的过程中，不断向炉内通入高纯氮气，氮气的流速为8L/h；当退火时间达到10h左右时，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SiO

步骤5：当SiO

步骤6：光刻胶5去除完毕后，下面开始进行铌酸锂光波导100的刻蚀；将锂光波导传输段103的宽度设置为800nm，确保光在里面可以单模传输；首先用负色调电子束抗蚀剂进行区域的选定，然后用氩离子通过反应离子刻蚀将图案14转移至薄膜铌酸锂的离子注入层8中，光波导的刻蚀深度为400nm；光波导刻蚀完毕后，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，前向光栅9和后向光栅10刻蚀采用飞秒脉冲激光进行刻蚀；前向光栅9的刻蚀对数为250对，后向光栅10的刻蚀对数为10对；每个离子注入层8对应刻蚀出一个铌酸锂光波导100，进而形成铌酸锂光波导阵列；铌酸锂光波导100制备完毕后，在铌酸锂光波导100表面沉积一层SiO

步骤7：绝缘体上铌酸锂光波导阵列制备完成后，下面进行DFB激光器13的制备；采用MOCVD金属有机化学气相沉积对激光器进行外延生长，依次外延生长50nm厚的掺杂浓度为1×10

步骤8：DFB激光器13制备完毕后，利用晶圆键合技术将DFB激光器13键合到砷化镓衬底4上，确保DFB激光器13的输出光高度与铌酸锂光波导100匹配；输出光高度的匹配可以通过金属电极沉积的厚度来进行微调；每个铌酸锂光波导100都有一个DFB激光器13进行泵浦，进而在砷化镓衬底4上形成DFB激光器阵列，砷化镓衬底4、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和DFB激光器阵列构成激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件。

实施例3

具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：

如图16所示，铌酸锂光波导阵列中每个铌酸锂光波导100中稀土离子注入的元素均不同的情况下，激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件制备方法包括以下步骤：

步骤1：提供一片铌酸锂单晶片1，利用PECVD等离子体增强化学的气相沉积法在所述铌酸锂单晶片1上沉积厚度为3μm厚的SiO

步骤2：所述SiO

步骤3：提供一砷化镓衬底4，将抛光完毕的SiO

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300℃；在升温的过程中，不断向炉内通入高纯氮气，氮气的流速为8L/h；当退火时间达到10h左右时，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SiO

步骤5：当SiO

步骤6：光刻胶5去除完毕后，下面开始进行铌酸锂光波导100的刻蚀；将锂光波导传输段103的宽度设置为800nm，确保光在里面可以单模传输；首先用负色调电子束抗蚀剂进行区域的选定，然后用氩离子通过反应离子刻蚀将图案14转移至薄膜铌酸锂的离子注入层8中，光波导的刻蚀深度为400nm；光波导刻蚀完毕后，在锂光波导传输段103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，前向光栅9和后向光栅10刻蚀采用飞秒脉冲激光进行刻蚀；前向光栅9的刻蚀对数为250对，后向光栅10的刻蚀对数为10对；每个离子注入层8对应刻蚀出一个铌酸锂光波导100，进而形成铌酸锂光波导阵列；铌酸锂光波导100制备完毕后，在铌酸锂光波导100表面沉积一层SiO

步骤7：绝缘体上铌酸锂光波导阵列制备完成后，下面进行DFB激光器13的制备；采用MOCVD金属有机化学气相沉积对激光器进行外延生长，依次外延生长50nm厚的掺杂浓度为1×10

步骤8：DFB激光器13制备完毕后，利用晶圆键合技术将DFB激光器13键合到砷化镓衬底4上，确保DFB激光器13的输出光高度与铌酸锂光波导100匹配；输出光高度的匹配可以通过金属电极沉积的厚度来进行微调；每个铌酸锂光波导100都有一个DFB激光器13进行泵浦，进而在砷化镓衬底4上形成DFB激光器阵列，砷化镓衬底4、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和DFB激光器阵列构成激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件。

实施例4

具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：

将砷化镓衬底4换成金刚石衬底作为集成平台的情况下，可以大大增加光子器件的散热效率，激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件制备方法包括以下步骤：

步骤1：提供一片铌酸锂单晶片1，利用PECVD等离子体增强化学的气相沉积法在所述铌酸锂单晶片1上沉积厚度为2μm厚的SiO

步骤2：所述SiO

步骤3：提供一金刚石单晶衬底，将抛光完毕的SiO

步骤5：当SiO

步骤6：光刻胶5去除完毕后，下面开始进行铌酸锂光波导100的刻蚀；将锂光波导传输段103的宽度设置为800nm，确保光在里面可以单模传输；首先用负色调电子束抗蚀剂进行区域的选定，然后用氩离子通过反应离子刻蚀将图案14转移至薄膜铌酸锂的离子注入层8中，光波导的刻蚀深度为400nm；光波导刻蚀完毕后，在锂光波导传输段103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，前向光栅9和后向光栅10刻蚀采用飞秒脉冲激光进行刻蚀；前向光栅9的刻蚀对数为250对，后向光栅10的刻蚀对数为10对；每个离子注入层8对应刻蚀出一个铌酸锂光波导100，进而形成铌酸锂光波导阵列；铌酸锂光波导100制备完毕后，在铌酸锂光波导100表面沉积一层SiO

步骤7：绝缘体上铌酸锂光波导阵列制备完成后，下面进行DFB激光器13的制备；采用MOCVD金属有机化学气相沉积对激光器进行外延生长，依次外延生长50nm厚的掺杂浓度为1×10

步骤8：DFB激光器13制备完毕后，利用晶圆键合技术将DFB激光器13键合到砷化镓衬底4上，确保DFB激光器13的输出光高度与铌酸锂光波导100匹配；输出光高度的匹配可以通过金属电极沉积的厚度来进行微调；每个铌酸锂光波导100都有一个DFB激光器13进行泵浦，进而在砷化镓衬底4上形成DFB激光器阵列，砷化镓衬底4、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和DFB激光器阵列构成激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件。

实施例5

具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：

DFB激光器13换成InP衬底DFB激光器，在可以泵浦其他稀土离子的情况下，光子器件制备方法包括以下步骤：

步骤1：提供一片铌酸锂单晶片1，利用PECVD等离子体增强化学的气相沉积法在所述铌酸锂单晶片1上沉积厚度为2μm厚的SiO

步骤2：所述SiO

步骤3：提供一磷化铟单晶衬底，将抛光完毕的SiO

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200℃；在升温的过程中，不断向炉内通入高纯氮气，氮气的流速为8L/h；当退火时间达到10h左右时，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SiO

步骤5：当SiO

步骤6：光刻胶5去除完毕后，下面开始进行铌酸锂光波导100的刻蚀；将锂光波导传输段103的宽度设置为800nm，确保光在里面可以单模传输；首先用负色调电子束抗蚀剂进行区域的选定，然后用氩离子通过反应离子刻蚀将图案14转移至薄膜铌酸锂的离子注入层8中，光波导的刻蚀深度为400nm；光波导刻蚀完毕后，在锂光波导传输段103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，前向光栅9和后向光栅10刻蚀采用飞秒脉冲激光进行刻蚀；前向光栅9的刻蚀对数为250对，后向光栅10的刻蚀对数为10对；每个离子注入层8对应刻蚀出一个铌酸锂光波导100，进而形成铌酸锂光波导阵列；铌酸锂光波导100制备完毕后，在铌酸锂光波导100表面沉积一层SiO

步骤7：绝缘体上铌酸锂光波导阵列制备完成后，下面进行DFB激光器13的制备；采用MOCVD金属有机化学气相沉积对激光器进行外延生长，在n型InP衬底上依次外延生长50nm厚的掺杂浓度为1×10

步骤8：DFB激光器13制备完毕后，利用晶圆键合技术将DFB激光器13键合到砷化镓衬底4上，确保DFB激光器13的输出光高度与铌酸锂光波导100匹配；输出光高度的匹配可以通过金属电极沉积的厚度来进行微调；每个铌酸锂光波导100都有一个DFB激光器13进行泵浦，进而在砷化镓衬底4上形成DFB激光器阵列，砷化镓衬底4、绝缘体上铌酸锂光波导阵列和DFB激光器阵列构成激光泵浦铌酸锂光波导多波长混合集成光子器件。

InP衬底DFB激光器发出的激光波长较长。

需要说明的是，附图中的“…”均表示省略的意思。实施例2-5中一种DFB激光器的制备方法和绝缘体上铌酸锂光波导阵列的制备方法结合构成光子器件制备方法。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。