高密度激光器光學器件的制作方法

高密度激光器光學器件的制作方法
【專利摘要】提供用于高密度激光器光學器件的裝置和方法。激光器光學器件裝置的示例包括：在單體地集成的陣列中的多個垂直腔表面發射激光器(VCSEL)；高對比度光柵(HCG)，與該多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成，以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長；以及多個單模波導，每個與光柵耦合器集成，多個單模波導連接至多個集成的VCSEL和HCG中的每個，其中光柵耦合器中的每個對準至一集成的VCSEL和HCG。
【專利說明】高密度激光器光學器件
【背景技術】
[0001]通過波導傳輸光已經被用于許多類型的通信應用。光信號相對于電子信號顯現潛在優勢。光源可以由包括諸如發光二極管和激光二極管之類的半導體器件在內的半導體器件制造。
[0002]光纖用作光信號的傳輸介質。單條光纖能夠在其內一次攜帶數個不同的調制信號。例如，波分復用可以將光纖的帶寬分成不同的信道(例如，每個信道包含一小范圍的波長)，因此可以一次傳輸數個不同的光波長(例如，信號)。使用這種系統需要不同波長的源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1圖示根據本公開的與高對比度光柵(HCG)集成的垂直腔表面發射激光器(VCSEL)的示例。
[0004]圖2圖示根據本公開的與單模波導集成的光柵耦合器的示例。
[0005]圖3是根據本公開的與連接至具有HCG的集成VCSEL的光柵耦合器集成的單模波導的示例。
[0006]圖4圖示根據本公開的與多個VCSEL集成的波分復用器的示例。
[0007]圖5圖示根據本公開的與多個單體地集成的VCSEL陣列集成的波分復用器的示例。
[0008]圖6是圖示根據本公開的受HCG的特定節距和特定占空比影響的由VCSEL發出的諧振波長的示例的圖。
[0009]圖7圖示根據本公開形成的激光器光學裝置的示例。
【具體實施方式】
[0010]以每秒I兆兆比特以上的帶寬操作的高速光互連，是以例如它們與電氣互連相比的低功耗和小型尺寸為基礎的有吸引力的選擇。波分復用可以提供高帶寬的兆兆比特光纖(例如，每秒I兆兆比特以上)。對這樣的應用而言，單體地集成的低成本多波長源是令人期望的。VCSEL是用于多波長源的有效選擇，優點在于包括表面正常發射、低成本制造和晶片級測試。此外，多波長VCSEL源可以對包括例如光通信系統(如數據中心中)的一大批應用提供經濟的方案。
[0011]本公開的示例包括用于激光器光學器件的裝置、方法和機器可讀的和可執行的指令和/或邏輯。本公開中提供的示例的實現方式提供了使用多個波長的高密度光引擎。
[0012]根據本公開的高密度激光器光學器件裝置的示例包括:在單體地集成的陣列中的第一多個VCSEL ;與該第一多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成以使能夠發射多個激光發射波長中的單個激光發射波長的HCG ；以及多個單模波導，每個與光柵耦合器集成，多個單模波導連接至第一多個集成的VCSEL和HCG中的每個，在這里光柵耦合器中的每個被對準至集成的VCSEL和HCG。[0013]圖1圖示根據本公開的與HCG集成的VCSEL的示例。VCSEL可以以可以包括諸如P接觸、η接觸、犧牲層、氧化物層、鈍化層等之類的各種構成的各種配置形成。為了本公開的目的，討論與離散的激光發射波長的產生和/或發射直接相關的構成。
[0014]在本公開的詳細描述中，參考形成本公開的一部分的附圖，在附圖中通過圖示示出本公開的示例可以被如何付諸實踐。充分詳細地描述這些示例，以使本領域技術人員能夠實施本公開的示例，并且應理解，可以利用其它示例并且在不背離本公開的范圍的情況下可以做出過程、電氣和/或結構的改變。進一步，在適合的場合，本文中使用的“例如”和“作為示例”應當被理解為對“作為示例且不作為限制”的縮寫。
[0015]本文中的圖符合編號慣例，其中第一位數字或頭幾位數字對應于該圖的圖號，剩余數字識別該圖中的組件或部件。不同圖之間的相似組件或部件可以通過使用相似的數字來識別。例如，116可以指圖1中的組件“16”，并且相似的組件可以在圖2中被稱為216。可以添加、交換和/或消除本文中的各圖中示出的組件，以便提供本公開的多個附加示例。另外，圖中提供的組件的比例和相對大小旨在圖示本公開的示例，而不應按照限制的意義去理解。
[0016]如圖1中圖示的，與HCG集成的VCSEL100的示例可以包括具有垂直腔的孔(aperture) 102 (例如，相對于VCSEL的其它部件與VCSEL101的上表面關聯)的VCSEL101的示例。HCG103可以與垂直腔的孔102集成。在一些示例中，HCG103還可以擔當VCSEL101的頂部鏡。
[0017]可以將HCG103形成為包括具有特定節距104和特定占空比的光柵(例如，通過頂部鏡的電子束光刻以及其它適合的刻蝕技術)。本公開中使用的光柵節距104指光柵的一實體條的開始和光柵的相鄰實體條的開始之間的規則重復的距離。因此，節距104穿越一個實體條105的寬度和相鄰實體條之間的相鄰空閑空間106。在本公開中使用的光柵占空比指實體條105的寬度與節距104的比。因為實體條105的寬度和空閑空間106可以是恒定的，因此節距104可以在整個HCG的范圍內恒定(例如，規則地重復)，這還可以使占空比在整個HCG的范圍內恒定。
[0018]與HCG集成的VCSEL100的示例可以被形成為包括HCG103下方的垂直腔107的底切部分(例如，通過適當的底部刻蝕技術)。為了說明目的，垂直腔107在圖1中表現為空的。然而，在各示例中，垂直腔107可以被充有(例如，如本文中或其它地方描述的)各種氣態、液態和/或固態的材料。在垂直腔107的被底切的部分下方可以形成有源區108。有源區108可以由多個增益介質材料層形成，在進行電激勵時，可以放大特定多個或特定范圍的波長的光子生成。
[0019]與HCG集成的VCSEL100的示例可以被形成為包括有源區108下方的可以用作底部鏡Iio的多個層。在一些示例中，底部鏡110的多個層的預定結構可以導致底部鏡110被形成為分布式布拉格反射(DBR)鏡。
[0020]當電子和空穴在相同區域內出現時，它們可以復合或“湮滅”，結果是自發輻射，也就是說，電子可以再占用空穴的能態，發出具有與所涉及的電子和空穴態之間的差異相等的能量的光子。本文介紹的多種材料是可以被用來制造發出光子的結二極管的化合物半導體材料的示例。具有與復合能量相等的能量的鄰近光子可以通過受激輻射導致復合。這可以生成具有與第一光子的相同的頻率的、沿相同方向傳播的、具有相同偏振和相位的另一光子。受激輻射導致注入區中的(例如，特定波長的)光波中的增益，并且該增益隨穿越該結注入的電子和空穴的數量增加而增加。
[0021]增益區可以與光學腔關聯，使得光被限制為相對窄的線。腔的兩端可以形成光滑的平行的邊緣，例如形成法布里-泊羅諧振器。在發出光子之前，光子可以在每個端面上反射數次。當光波穿過腔時，其可以被受激輻射放大。如果放大比損耗(例如，由于吸收和/或通過在端面上的不完全反射)多，則二極管開始“發射激光”。
[0022]影響所發出的光子波長的一些屬性可以通過光學腔的幾何構造來確定。在垂直方向上，光可以包含在薄層內，并且該結構可以支持沿與層垂直的方向上的單個光學模。在橫向上，如果光學腔比光的波長寬，則波導可以支持多個橫向光學模，并且激光器被稱為“多模”。在希望小的聚焦束的應用中，可以將光學腔制得窄，處于光學波長量級。因此，支持單個橫模。這樣的單模激光器可以被用于光學存儲、激光指示器和激光器光學器件以及其它應用。
[0023]激光中的模是駐光波。一些激光器是多模的，這可以由各種因素導致，例如光學腔的尺寸和形狀、有源區的特定材料和配置以及鏡的類型和其它考慮。基于這樣的考慮，可以通過將HCG與垂直腔的孔集成而將多模激光器減向為單模激光器。與VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG的厚度、節距和/或占空比，可以支持腔中的(例如，具有單個縱向和垂直參數的)單個駐光波，因此該激光器可以發出單個激光發射波長。在一些示例中，單個激光發射波長可以包括I納米(rim)范圍內的多個波長。此外，本文描述的HCG的厚度、節距和/或占空比可以被調整為改變VCSEL的單模和由激光器發出的單個激光發射波長。
[0024]影響HCG的孔尺寸的這種特性變化還可對影響HCG的反射率做出貢獻。因此，可以選擇對孔的尺寸和/或反射率的改變，以形成單模激光器。于是，選擇不同HCG特性可導致能夠由VCSEL發出不同波長，并且增強VCSEL作為單模激光器操作的能力。例如，特定的HCG特性可能對(例如，在激光器腔中的)較高階的模比對較低階的模產生更大損耗(例如，通過對較低階的模的反射率較高)。
[0025]所發出的波長可以是半導體的帶隙和光學腔的模的函數。通常，最大增益將對能量稍高于帶隙能量的光子產生，并且與增益峰值最近的模會最強烈地發出激光。一些激光二極管，如大多數可見激光器，以單個波長操作，但是該波長可能由于電流或溫度的波動而不穩定。
[0026]由于衍射，束可能在離開激光器(例如，芯片上的半導體激光器)以后快速地發散。在一些情況中，可以使用多個透鏡來形成準直束。對VCSEL而言，使用對稱透鏡時，由于垂直和橫向的發散性不同，準直束在形狀上是橢圓的。使用集成的HCG可至少部分地替代準直透鏡，同時還將所發出的光子減少至單個激光發射波長或者窄的激光發射波長帶。
[0027]在一些情況中，低帶隙材料層可以夾在兩個高帶隙層之間。一對這樣的材料是砷化鎵(GaAs)與鋁鎵砷(AlxGa(1_x)As)。自由電子和空穴同時存在的區域——有源區，可以被約束至薄的中間層，使得更多的電子-空穴對可對放大做出貢獻，但沒有這么多在差的放大邊緣被遺漏。此外，光子可以從兩種材料之間的結中反射，使得光子被約束至發生放大的有源區。
[0028]如果中間層被制造得足夠薄，則其可以擔當對電子的波函數的垂直變化及由此對其能量的成分進行量子化的量子阱。量子阱激光器的效率可大于體激光器的效率，因為量子阱中的電子的狀態函數的密度可以具有將電子集中在對激光作用做出貢獻的能量態的陡峭邊緣。包含一個以上量子阱層的激光器可以被稱為“多量子阱”激光器。多個量子阱可以改善增益區與光波導模的重疊。通過將量子阱層縮減至量子線或量子點“海”，可以實現激光器效率的進一步提高。
[0029]剛剛描述的量子阱二極管可以具有太小以至不能有效地約束光的薄層。為了進行補償，可以在例如前三層外側上添加另兩個層。這些層可以具有比中心層更低的折射率，因此更有效地約束光子。
[0030]VCSEL具有沿電流流動方向而非與電流流動垂直的方向(例如，如在其它激光器二極管中那樣)的光學腔軸線。有源區長度與橫向尺寸相比小，使得光子從腔的上表面而非從其邊緣發出。腔的頂部和底部處的反射器可以是由四分之一波長厚的高反射率材料和低反射率材料的交替層制成的電介質鏡，其可以是DBR鏡。如果使得交替層的厚度和反射率導致界面處的部分反射波的相長干涉，則這樣的DBR鏡可以在期望的自由表面波長下提供高程度的波長選擇性反射能力。
[0031]當與制作邊發射的激光器相比時，制作VCSEL有幾個優點。在制作過程結束之前，不對邊發射器進行測試。如果邊發射器不工作，無論是因為不良的接觸還是差的材料生長質量，則生產時間都會增加并且會犧牲處理材料。此外，由于VCSEL發出與激光器的有源區垂直的束，而非如邊發射器發出與有源區平行的束，所以許多(例如，數千)VCSEL可以在單個基板上同時地(例如，在單個半導體芯片上單體地)被處理。相應地，與邊發射激光器相t匕，VCSEL的生產可以被控制至更可預測的產量。
[0032]圖2圖示根據本公開的與單模波導集成的光柵耦合器的示例。圖2中圖示的與單模波導集成的光柵耦合器215可以包括光柵耦合器218，其中光柵具有用于例如具有特定波長和/或以從法線(例如，垂直于光柵)起特定入射角的入射光222的折射的預定節距220。光柵耦合器218的節距220(除占空比以外)可以進行折射，使得入射光222沿單模波導226以期望的方向傳播。
[0033]單模波導226可以由基板228支撐。在各示例中，基板228可以包括具有與單模波導226不同的折射率和/或反射率的多個層。因此，例如，基板228可以具有與單模波導226相鄰的氧化物層，該氧化物層形成在硅層上。
[0034]用于沿波導折射光的光柵的節距(Λ)可以通過例如下面的公式、使用波導的有效折射率nrff (例如，對空氣歸一化的傳播矢量)、針對以與法線的特定入射角(Φ)(例如，當與光柵垂直提供入射光時，Φ可以具有0.0的值)的特定波長的入射光(λ)進行預定:
[0035]A = λ /(neff_sinC>)
[0036]通過由高折射率硅形成光柵耦合器、形成具有閃耀光柵的光柵耦合器和/或在光柵下放置反射材料(例如，鏡)，在各個示例中，可以提高光柵耦合器的效率。
[0037]在激光器光學器件通信中，單模波導可以是被設計為僅攜帶光的單個空間模的光纖。在此環境下，模是用于波的亥姆霍茲方程式的可能解，該解是通過合并麥克斯威方程式和邊界條件獲得的。這些模限定波傳播通過空間(例如，波如何在空間中分布)的方式。光波可以具有相同的模，但是可以具有不同的頻率。在單模波導中情況是這樣，單模波導可以攜帶具有不同頻率但是具有相同空間模的光波，這意味著它們在空間中以相同的方式分布。[0038]單模波導可以比多模波導表現顯著更低的模態色散。因此，單模波導比多模波導在通過較長距離獲得每個光脈沖的保真度時會更好。出于這些原因，單模波導可以具有比多模波導更高的帶寬。
[0039]圖3是根據本公開的與連接至具有HCG的集成VCSEL的光柵耦合器集成的單模波導的示例。圖3中圖示的與連接至具有HCG的集成VCSEL的光柵耦合器集成的單模波導330，可以包括在基板332上形成的單模波導(例如，硅上的硅石等)。
[0040]本文描述的與光柵耦合器336集成的單模波導334可以形成在基板332上。單模波導334可以具有用來與光柵耦合器336集成的較寬的過渡區，以提供用于光子進入與光柵耦合器336上的入射光束337的區域相比更窄通路的漏斗。
[0041]入射光束337可以由如本文描述的與光柵I禹合器336相鄰放置的具有HCG的單個集成VCSEL(未示出)發出，使得從其中發出的光子(例如，具有特定的激光發射波長)碰撞光柵耦合器336。基板332可以包括其上的焊料凸塊339的圖案(例如，在各種圖案中)。具有HCG的單個集成VCSEL (例如，在單個模下操作)可以包括其上的焊料凸塊的對應圖案(例如，圍繞垂直腔的孔)。因此，具有HCG的單個集成VCSEL可以通過匹配對應圖案中的焊料凸塊而與光柵耦合器336自對準。在此自對準以后，在所匹配的焊料凸塊(例如，通過加熱所匹配的焊料凸塊)之間可以形成接合(bond)。
[0042]這樣的自對準可以例如通過將該具有HCG的單個集成VCSEL(例如，在單個半導體芯片上)倒裝到其上具有焊料凸塊339的圖案的基板332上來執行，使得該具有HCG的單個集成VCSEL上的焊料凸塊的對應圖案通過“倒裝芯片”工藝匹配基板332上的那個。類似地,例如,在單體地集成的陣列(例如,在單個半導體芯片上)中的多個VCSEL (例如，每個操作在單模下)可以各自作為一組通過倒裝芯片工藝與在基板上放置的具有分離的單模波導的多個光柵耦合器自對準。在一些示例中，該具有HCG的單個集成VCSEL和/或在單體地集成的陣列(例如，在單個半導體芯片上)中的多個VCSEL可以直接被倒裝芯片到平臺材料上并且與其接合。
[0043]可以改變入射光的輸入角(例如圖2中圖示的沿特定單模波導的路徑被折射的入射光222對法線的特定入射角(Φ))。在各示例中，可以通過改變焊料凸塊中的一些或全部的高度來確定輸入角。在各示例中，輸入角可以通過在焊料凸塊中的一些或全部的期望位置下刻蝕到平臺材料內的特定深度來確定。
[0044]圖4圖示根據本公開的與多個VCSEL集成的波分復用器(WDM)的示例。圖4中圖示的與多個VCSEL (例如，每個操作在單模下)集成的WDM440可以例如形成在平臺442 (例如，其包括在硅平面光波電路(PLC)的玻璃或硅石以及其它材料)上。該平臺可以在一些示例中是共同延展的和/或由與圖3中圖示的基板332相同或相似的材料形成。
[0045]平臺442可以例如支撐將多個VCSEL與HCG444-1至444-N集成的單體地集成的陣列443 (例如，在單個半導體芯片上)。具有HCG444-1至444-N的多個VCSEL中的每個可以被形成為產生相同的光波長(例如，通過被形成有相同的腔尺寸和形狀、相同的有源區、相同的DBR鏡等)。然而，從具有HCG444-1至444-N的VCSEL中的每個發出的激光發射波長可以，通過如本文描述那樣改變與多個VCSEL中的每個VCSEL的垂直腔的孔集成的特定HCG(例如，被給予固定的厚度)的節距和/或占空比，與這多個中的全部其它離散。因此，具有HCG444-1至444-N的多個VCSEL中的每個可以發出離散的激光發射波長(例如，通過每個操作在單模下)。例如，圖4中示出的單體地集成的陣列443可以發出來自具有其上形成的HCG的八個單模VCSEL的八個離散的激光發射波長。
[0046]本文中描述的與光柵耦合器445-1至445-N集成的多個單模波導可以連接至具有HCG444-1至444-N的多個VCSEL中的每個(例如，通過倒裝芯片工藝自對準)。例如，圖4中示出的單體地集成的陣列443可以發出來自具有其上形成的HCG的八個單模VCSEL的、被與光柵耦合器集成的八個單模波導收集和傳輸的、八個離散的激光發射波長。本文中描述的離散的激光發射波長中的每個可以被視為激光器光學“信道”。
[0047]與光柵耦合器445-1至445-N集成的多個單模波導中的每個可以被聚攏為將所傳輸的離散激光發射波長饋送到WDM441的輸入內。本文中描述的WDM441可以是陣列式的波長光柵(AWG)，在這里，離散的激光發射波長被輸入到第一自由空間傳播區446內。
[0048]進入的光可以穿越第一自由空間傳播區446并且進入一束分離信道波導447。信道波導447具有不同的長度，因此在光穿越到第二自由空間傳播區448內時在信道波導447的出口處施加不同的相移，在第二自由空間傳播區448內離散的波長中的每個可以被合并用于在單個光波導449中輸出。在如剛剛描述那樣操作時，AWG起到復用器的作用。
[0049]在沿相反的方向操作時，AWG起到解復用器的作用。例如，當通過單個光波導輸入多個波長時，它們以每個輸出信道僅接收特定波長的光的方式在多個單模波導的入口處相互作用。
[0050]AWG可以包括以恒定長度增量增加的多個波導。當充當解復用器時，光可以通過單個光波導被輸入到設備內。光可以從輸入波導中衍射出并且傳播通過第二自由空間傳播區并且以高斯分布照射波導。耦合至波導的每個波長的光可以經歷被歸因于波導中的恒定長度增量的恒定相位變化。從每個波導中衍射的光可以相長干涉并且在分離的信道波導處被再聚焦，空間位置和輸出信道是依賴于相移的波長。
[0051]AWG可以被用作WDM系統中的光(解)復用器。AWG能夠將多個波長復用到單個光波導內，從而提高光網絡的傳輸容量。AWG基于具有不同波長的光波彼此線性地相互作用的光學基本原理。這意味著，如果光通信網絡中的每個信道利用具有稍不同波長的光，那么來自大量這些信道的光可以以可忽略的信道間串擾被單個光波導運輸。這樣，AWG可以被用來將數個波長的信道復用到傳輸端的單個光波導上，還可以被用作用來在光通信網絡的接收端取得不同波長的單獨信道的解復用器。
[0052]圖5圖示根據本公開的與多個單體地集成的VCSEL陣列集成的WDM的示例。圖5中圖示的與多個單體地集成的VCSEL的陣列集成的WDM550可以包括例如本文中描述的WDM541。
[0053]WDM541可以與多個單體地集成的VCSEL552-1至552-N(例如，在單個半導體芯片上集成的單體地集成的陣列中的每個)的陣列集成。單體地集成的VCSEL552-1至552-M的陣列中的每個可以包括其上形成有HCG的多個VCSEL(例如，如圖4所示的)。單個單體地集成的陣列上的具有HCG的多個VCSEL中的每個可以被形成為產生相同的光波長(例如，通過被形成有相同的腔尺寸和形狀、相同的有源區、相同的DBR鏡等)。然而，多個單體地集成的陣列的不同陣列上的具有HCG的多個VCSEL中的每個可以被形成為產生不同的光波長(例如，通過被形成有不同的腔尺寸和形狀、不同的有源區、不同的DBR鏡等)。
[0054]從多個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個上的具有HCG的VCSEL中的每個中發出的激光發射波長，可以與這多個中的全部其它離散。這可以通過多個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個執行，多個單體地集成的陣列552-1至552-M被形成為，除了如本文描述的那樣改變與多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成的特定HCG (例如，被給予固定厚度)的節距和/或占空比以外，還產生不同的波長或波長范圍。這樣，多個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個上的具有HCG的多個VCSEL中的每個可以，由發射離散的波長范圍的多個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個，發射離散的激光發射波長。例如，圖5中示出的八個單體地集成的陣列可以各自發出來自具有其上形成的HCG的八個單模VCSEL的八個離散的激光發射波長。
[0055]本文中描述的與光柵耦合器553-1至553-M集成的多個單模波導可以連接至多個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個上的具有HCG的多個VCSEL中的每個(例如，通過倒裝芯片工藝自對準)。例如，圖5中示出的八個單體地集成的陣列552-1至552-M中的每個可以發出來自具有其上形成的HCG的八個單模VCSEL的、被與光柵耦合器集成的64個單模波導收集和傳輸的、八個離散的激光發射波長。由于本文中描述的離散的激光發射波長中的每個可以被視為激光器光學信道，所以圖5示出64個信道被輸入到WDM541內。
[0056]與光柵耦合器553-1至553-M集成的多個單模波導中的每個可以被聚攏為將所傳輸的離散激光發射波長饋送到WDM541的輸入內，在這里離散的激光發射波長被輸入到第一自由空間傳播區546內。進入的光可以穿越第一自由空間傳播區546并且進入該束分離信道波導547。信道波導547具有不同的長度，因此在光穿越到第二自由空間傳播區548內時在信道波導547的出口處施加不同的相移，在第二自由空間傳播區548內離散的波長中的每個可以被合并用于在單個光波導555中輸出。如圖5中圖示的，單個光波導555可以運輸由從多個單體地集成的陣列中的每個中的多個VCSEL (例如，每個操作在單模下)中發出的離散激光發射波長的總數確定的多個信道，在該示例中是64個信道。
[0057]如圖4中所示，與圖5中圖示的多個單體地集成的VCSEL陣列集成的WDM550可以例如形成在單個平臺(例如，其包括硅PLC上的玻璃或硅石以及其它材料)上。電引線可以在各示例中形成在用于多個集成的VCSEL和HCG和WDM的單個平臺(例如，其包括多個單模波導)上。電引線可以在各示例中使能夠對包括待由集成的VCSEL和HCG轉換成光的數據的驅動電流進行調制。
[0058]圖6是圖示根據本公開的受HCG的特定節距和特定占空比影響的由VCSEL發出的諧振波長的示例的圖。圖6中圖示的圖660包括縱軸，縱軸針對與VCSEL的垂直腔的孔集成的多個HCG中的每個，以納米(nm)為單位示出節距663。該圖包括橫軸，橫軸針對與相同VCSEL的垂直腔的孔集成的多個HCG中的每個，示出被表達為百分比的占空比665 (例如，占空比乘以100)。
[0059]將VCSEL中的每個形成為產生相同的光波長(例如，通過被形成有相同的腔尺寸和形狀、相同的有源區、相同的DBR鏡等)。然而，多個VCSEL中的每個上的HCG的節距663和/或占空比665的預定變化可以導致發出一范圍的諧振波長668。也就是說，VCSEL中的每個可以，根據其集成的HCG的節距和/或占空比的差異，具有不同的諧振波長。
[0060]諧振可以是系統(例如，VCSEL)在一些頻率下比在其它頻率下以更大的振幅振蕩的趨勢。激光器(例如，VCSEL)的光學腔包括形成用于光的駐波諧振器的鏡布置。激光器的光學腔與有源區關聯并且提供由有源區產生的光的反射反饋。在光學腔中約束的光反射多次并且對特定諧振頻率產生駐波。不同的諧振頻率可以通過與光學腔關聯的鏡的配置和/或鏡之間的距離中的差異產生。如在本公開中描述的，與VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG是鏡之一。這樣，通過改變與垂直腔的孔集成的特定HCG(例如，被給予固定厚度)的節距和/或占空比，從被形成為產生相同光波長的VCSEL中可以產生離散的諧振頻率，并且可以發出離散的激光發射波長。
[0061]如在圖6的圖660中圖示的，被形成為產生相同光波長的VCSEL可以具有諧振波長的范圍668(例如，其變得發出激光發射波長)，其中該范圍中的特定波長依賴于HCG的特定節距和/或占空比。圖660示出，依賴于為該HCG選擇的特定節距663和/或特定占空比665，諧振波長的該范圍668覆蓋至少55nm的范圍(例如，從大約820nm至大約875nm，盡管未示出該完整的波長范圍)。在該示例中，使HCG的節距663變長，同時保持占空比665恒定，趨于使VCSEL的諧振波長變長。類似地，增加HCG的占空比665，同時保持節距663恒定，也趨于使VCSEL的諧振波長變長。例如，在400nm的節距處，50%的占空比可以導致大約843nm的諧振波長，而75%的占空比可以導致大約868nm的諧振波長。盡管剛剛提供的示例關于發出800-900nm之間的波長的VCSEL，但是可以與本公開一致地跨越任何期望的波長范圍實現與HCG結合的單獨的VCSEL和多波長VCSEL陣列。
[0062]如本公開中描述的，多個VCSEL(每個被形成為產生相同的光波長)可以位于單體地集成的陣列中，具有與每個的垂直腔的孔集成的HCG，以便發出多個離散的激光發射波長的單個激光發射波長(或Inm內的窄波長帶)。此外，多個單體地集成的陣列中的不同陣列上的多個VCSEL(例如，每個操作在單個模下)可以被形成為產生不同波長的光，其中該多個單體地集成的陣列中的每個上的HCG可以被調整為產生諧振波長，因此發出激光發射波長，波長具有關于每個陣列的與該多個單體地集成的陣列中的所有其它范圍離散的范圍。
[0063]品質因數(即，Q)是描述振蕩器或諧振器如何欠阻尼的無量綱參數，其可以反映諧振器相對于其中心頻率的帶寬。較高的Q可以表示相對于所存儲的能量的較低能量損耗率(例如，諧振頻率更緩慢地衰減)。諧振器諧振時的頻率范圍是帶寬，并且具有較高Q的諧振器在較小的頻率范圍下操作并且更穩定。Q可以在系統之間大幅地變化。阻尼對其是重要的系統具有低的Q(例如，具有用于防止其猛然關閉的阻尼器的門可以具有大約0.5的Q)。相比之下，需要強諧振和/或高頻率穩定性的其它系統具有大幅地更高的Q(例如，音叉可以具有大約1000的Q，原子鐘可以具有IO11或更高的Q)。
[0064]高的Q值可以通過選擇特定范圍內的節距和/或占空比來實現。例如，圖660中被標記為670的區域具有至少1000的Q。在被標記為670的區域中，選擇380nm的節距663可以通過跨越從40%至80%的全部范圍改變占空比665導致大約828nm至大約863nm的諧振波長范圍。這樣，可獲得大約30nm至40nm的帶寬，同時保持至少1000的Q。被標記為673的區域具有至少10000的Q。在被標記為673的區域中，選擇380nm的節距663可以通過跨越從大約46%至大約68%的范圍改變占空比665導致大約836nm至大約855nm的諧振波長范圍。這樣，可獲得大約15nm至25nm的帶寬，同時保持至少10000的Q。
[0065]通過小至2-4nm的分離量調整具有HCG的VCSEL，可以穩定地保持離散的諧振波長。這樣，可以以小至2-4nm的分離量穩定地保持激光器光學信道。因此，如圖5所示，WDM541的單個光波導555可以例如承載64個信道(例如，來自于由在8個單體地集成的陣列之間劃分的64個單模VCSEL發出的64個尚散波長)，這可以覆蓋小至128nm的波長范圍。在一些示例中，波長可以具有較寬的分離量。相應地，依據信道中的波長的間距和/或由單個光波導攜帶的信道的數量，圖4和圖5中圖示的WDM可以是稀疏波分復用器(CWD)或密集波分復用器(DWDM)。
[0066]本文中描述的激光器光學裝置的溫度可以在各個示例中影響由VCSEL和HCG產生的和/或發出的波長和/或在WDM的信道中攜帶的波長。例如，在從25攝氏度至85攝氏度的溫度變化內，這樣的波長可以漂移大約3.5nm(例如，每攝氏度大約0.06nm)。由溫度變化帶來的這種波長漂移可能特別地影響具有2-5nm的信道間距的DWDM。進一步，這種溫度變化可能通過例如導致波長的漂移(例如，漂移至更長的波長)影響CWDM或DWDM的性能，因為其折射率可能隨溫度的變化而變化。
[0067]因此，穩定激光器光學裝置的溫度可在減少由溫度變化帶來的波長漂移方面是有用的。例如，在其上放置具有HCG的VCSEL、波導和/或激光器光學裝置的WDM的平臺，在各個示例中可以被溫度穩定部件加熱或冷卻，使得該激光器光學裝置的操作溫度可以對溫度有減小的影響，因此對波長的漂移有減小的影響。也就是說，溫度穩定部件可以穩定多個集成的VCSEL和HCG的溫度(例如，在操作時)。在一些示例中，溫度穩定部件還可以穩定多個單模波導的溫度。溫度穩定部件可以例如操作來削弱由其它部件的熱生成，以將其它部件冷卻至相對穩定的溫度。可替代地或此外，溫度穩定部件可以例如操作來將其它部件加熱至相對穩定的溫度，使得由其它部件的熱生成不顯著地增加總體熱量。
[0068]圖7圖示根據本公開形成的高密度激光器光學裝置的示例。根據本文公開的激光器光學裝置的描述，如在圖7的框780中所示，在單體地集成的陣列中存在多個VCSEL。在一些示例中，這多個VCSEL可以是如本文描述的與多個第二單模VCSEL不同的多個第一單模VCSEL。如框782中示出的，存在與多個第一 VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成的HCG，以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長(例如，通過每個操作在單模下)。激光器光學裝置的示例包括與多個第一集成的VCSEL和HCG中的每個連接的多個單模波導，多個單模波導中的每個與光柵耦合器集成，其中光柵耦合器中的每個對準至集成的VCSEL和HCG，如框784所示。
[0069]在本公開的一些示例中，該裝置可以包括在單體地集成的陣列中的多個第二VCSEL，其中多個第二 VCSEL被配置為產生與被配置為由多個第一 VCSEL產生的波長離散的波長。被配置為產生不同的波長可以產生于第一單模VCSEL和第二單模VCSEL具有例如不同的光學腔尺寸和/或形狀、不同的有源區材料和/或配置和/或不同的鏡類型以及其它考慮。
[0070]如本文中描述的，多個第二 VCSEL中的每個可以在各示例中包括與其垂直腔的孔集成的HCG，使得由多個第二 VCSEL發出的激光發射波長的范圍與由多個第一 VCSEL發出的激光發射波長的范圍離散。此外，每個HCG可以使多個第一 VCSEL和/或第二 VCSEL中的每個操作在單模下，以發出離散的激光發射波長。
[0071]如本文中描述的，多個旨在指在沒有實際數量的限制的條件下的“兩個或更多個”。也就是說，多個VCSEL或者多個單體地集成的陣列以及其它示例僅指每個特定項中的兩個或更多個，它們的具體數量可能不同。例如，多個第一 VCSEL和多個第二 VCSEL可以在每個多個中的VCSEL的數量方面不同。
[0072]例如，圖6示出與VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG的節距和/或占空比的變化如何能夠導致諧振波長的范圍，該范圍可以使多個第一 VCSEL中的每個發射離散的激光發射波長(例如，通過操作在單個模態下)。類似地，與第二 VCSEL (例如，在第二單體地集成的陣列中)的垂直腔的孔集成的HCG的節距和/或占空比的變化可以導致不同的諧振波長范圍，該范圍可以使多個第二 VCSEL中的每個能夠發出離散的激光發射波長(例如，通過每個操作在單個模下)。由多個第二 VCSEL發出的離散激光發射波長可以位于與由多個第一VCSEL發出的波長范圍尚散的波長范圍內。在一些不例中，該多個激光發射波長(例如,從多個單體地集成的陣列中的每個中的單模VCSEL中的每個發出的)可以在I納米至20納米的范圍內各自間隔開。
[0073]在各示例中，多個單模波導可以包括在WDM中，該WDM將離散的激光發射波長中的每個進行集成以用于在單個光波導中輸出，如例如圖4和圖5中所示。WDM可以是例如硅平臺上的硅石平面光波電路，如關于圖4所示的，但是還可應用于圖5。
[0074]激光器光學裝置可以由根據本公開的方法制造。除非明確地聲明，否則本文中描述的方法示例不局限于特定順序或次序。此外，所描述的方法示例或其要素中的一些可以在相同的時間點或基本相同的時間點發生或被執行。
[0075]根據本公開，可以在各示例中通過處理半導體材料堆以形成單體地集成的陣列中的多個VCSEL來制造激光器光學裝置。這種處理可以例如通過向該半導體材料堆應用適當的刻蝕技術來執行，但是本公開不局限于此類實現方式。該半導體材料堆可以在各示例中包括用于產生多個激光發射波長的第一鏡面材料、增益介質材料以及多個第二鏡面材料以及其它材料。
[0076]如本文中描述的，第一鏡面材料可以被處理為形成與多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長的HCG。這種處理可以例如通過向該第一鏡面材料應用適當的刻蝕技術來執行，但是本公開不局限于此類實現方式。如本文中描述的制造激光器光學裝置可以包括將與單模波導集成的光柵耦合器自對準至與HCG集成的多個VCSEL中的每個，其中光柵耦合器中的每個被倒裝芯片自對準至特定的集成VCSEL和HCG。
[0077]被用來形成本文中描述的多個HCG的第一鏡面材料可以由多種化學材料形成，包括例如 II1-V族化合物、I1-VI 組化合物、S1、Ge、SiGe 和 ZnO、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAlGaAs、InP、InAs、InGaAsΛInAlAs、InGaAsPΛInGaAlAsP、InGaN、InGaAlN、GaN、InGaAlAsN、GaAlSb、GaSb、AlSb等等和/或它們的組合。剛剛使用對元素的縮寫，因為每個元素的不同比率(例如，化學計量法)可以在本公開的各示例中用來影響使用各種HCG配置實現的諧振波長。
[0078]除了被用來形成HCG的第一鏡面材料的不同化學組成以及所形成的HCG的厚度、節距和/或占空比的變化以外，HCG可以被形成為具有形狀、直徑和/或朝向的變化。例如，HCG可以被形成為具有橢圓形、圓形、矩形或方形的配置或者它們的混合，具有任意多個跨越光柵的跨度的實體條，因此具有任意適合的直徑。此外，HCG的實體條可以被形成為與光柵的長軸線平行、與光柵的長軸線垂直或與光柵的長軸線成對角線地延伸，或者它們的混
口 ο
[0079]如本文描述的用來形成用于光波長生成的有源區的增益介質材料可以由多種化學材料制成，包括例如 GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAs、InGaAsP、InGaAlP、InGaAlN 等等和/或它們的組合。這樣的增益介質材料可以在各示例中被用來形成有源區(例如，多個量子阱、量子點、量子線等)，有源區與本文描述的HCG結合產生諧振波長，該諧振波長可以例如以500nm、850nm、980nm、1000nm、1300nm和1550nm以及其它波長為中心。
[0080]例如，可以形成有源區和HCG的不同構成和/或配置，使得單獨的單體地集成的陣列可以具有以離散值(例如，980nm、1000nm、1020nm等)為中心的激光發射波長，其中離散范圍的激光發射波長是從每個單獨的單體地集成的陣列中發出的。VCSEL的剩余構成可以由能夠支持以期望波長進行激光發射的任何期望材料組合制成。
[0081]例如，每個特定的量子阱設計(例如，使用剛剛提供的多種化學材料)與多個不同的HCG配置結合可以產生大約30-40nm的可用增益帶寬(例如，具有如圖6所示的至少1000的Q)。集中于例如980-1000nm的大約120nm的帶寬可以使用“應變(strained) ” InGaAs產生(例如，關于多個量子阱、量子點、量子線等)。這種應變可以通過例如改變InGaAs化合物中的銦的量使得存在鎵和砷化物成分的失配來獲得。
[0082]制造激光器光學器件裝置可以在各示例中包括外延地生長半導體材料堆。外延生長是可以被用來制造各種電子和光學器件的技術。這樣的器件可以具有復雜的結構，其可以由具有各種構成的多個薄層制成。這樣的器件的品質、性能和壽命可受外延層的純度、結構精度和/或同質性影響。導致外延層精度、表面平整度和/或界面陡峭性的外延晶體生長可以依賴于多個因素，包括外延層生長方法、基板和外延膜之間的界面能以及多個生長參數，如熱力學驅動力、基板和層失配(misfit)、基板取向偏差(misorientation)、生長溫
/又寸。
[0083]如在本文中描述的，外延生長可以被用于由半導體材料制造具有HCG的VCSEL。除了其它結構以外，外延生長及其刻蝕可以被用來制造半導體量子結構，以產生具有高密度(例如，多個量子講、量子點、量子線等)以及很少缺陷的這樣的結構。外延生長以及其它適合的技術可以被用于在單個半導體芯片上形成如本文中描述的單體地集成的陣列。
[0084]對第一鏡面材料進行刻蝕來形成HCG可以例如包括利用電子束光刻來刻蝕每個HCG的節距和占空比的預定變化，使得每個HCG的節距和占空比的該預定變化對從多個VCSEL中的每個(例如，通過每個操作在單模下)中發出離散的激光發射波長做出貢獻。盡管本公開允許具有實際益處的、僅通過改變HCG尺寸帶來的VCSEL波長變化，但是本公開的教導不局限于此類實現方式。具體地，改變HCG的尺寸來改變所引起的諧振波長可以按需要與VCSEL結構的其它變化結合被用來支持更寬的波長范圍或不同應用。
[0085]此外，如果其它VCSEL過程變化不能被恰當地控制，那么對HCG的尺寸的改變還可以用作精細調整機制。單獨的HCG的節距和/或占空比可以通過例如激光修調(lasertrimming)來進行精細調整。這樣的激光修調可以可靠地實現例如大約0.5nm或更低的HCG尺寸變化。
[0086]在各示例中，制造激光器光學裝置可以包括處理(例如，除其它實現方式以外，刻蝕)多個增益介質材料層，以形成有源區，這里有源區可以包括多個量子阱。在各示例中，制造激光器光學裝置可以進一步包括處理(例如，除其它實現方式以外，刻蝕)多個第二鏡面材料，以在多個集成的VCSEL中的每個的垂直腔的封閉端形成多個DBR鏡，多個DBR鏡與多個量子阱結合(連同HCG和其它構成一起)對在該激光器光學裝置的腔中產生預定的波長做出貢獻。
[0087]在各示例中，制造激光器光學裝置可以包括通過如本文中描述的那樣匹配對應圖案中的焊料凸塊并且形成所匹配的焊料凸塊之間的接合來進行倒裝芯片自對準。例如，圖3中圖示的與光柵耦合器集成的單模波導，可以包括在基板332上形成的相同物(例如，除其它以外，硅上的硅石)。焊料凸塊的圖案的示例在圖3中的指示數字339處示出。這種圖案可以自對準至焊料凸塊的對應圖案，以將與光柵耦合器集成的單模波導連接至具有HCG的集成VCSEL(例如，通過加熱所匹配的焊料凸塊)。然而，圖案不局限于該示例并且可以是包括從上方看到的任何形狀凸塊(例如，圓形的、橢圓形的、方形的、矩形的、連續的或分段的突起線等)在內的任何焊料圖案。可替代地或此外，將單模波導連接至具有HCG的集成VCSEL使得由該具有HCG的集成VCSEL(例如，操作在單模下)發出的光與光柵耦合器適當地最準，可以以其它方式實現(例如，在制造期間和/或之后主動地對準)并且仍保持在本公開的范圍內。
[0088]根據本公開，高密度激光器光學裝置可以通過以下方式操作JfWDM的與光柵耦合器集成的單模波導集成至多個單體地集成的陣列中的多個VCSEL(每個與HCG集成)中的每個；通過該WDM將多個離散發出的激光發射波長集成到單個光波導內；并且通過確定從多個單體地集成的陣列中的每個中的多個VCSEL (例如，每個操作在單模下)中發出的離散的激光發射波長的總數，確定由單個光波導攜帶的光信道的數量。
[0089]例如，如圖5中所示，八個單體地集成的陣列中的每個可以發出來自具有其上形成的HCG的八個單模VCSEL的八個離散的激光發射波長，這些離散的激光發射波長被與光柵耦合器集成的64個單模波導收集和傳輸。由于本文中描述的離散的激光發射波長中的每個可以被視為激光器光學信道，所以圖5示出被輸入到WDM內且在單個光波導中輸出的64個信道。當每個激光器光學器件以每秒25吉比特進行傳輸時，例如64個信道可以共同地以每秒1.6兆兆比特進行傳輸。
[0090]在各示例中，特定單體地集成的陣列中的多個VCSEL中的每個可以被配置為產生與被配置為由其它單體地集成的陣列產生的波長離散的波長，HCG可以被配置為使多個單體地集成的陣列中的每個中的多個VCSEL(例如，通過每個操作在單模下)能夠發出離散范圍的離散諧振波長。
[0091]本公開的示例可以包括激光器光學裝置、系統和方法，包括促進制造和/或操作該激光器光學裝置的可執行指令和/或邏輯。處理資源可以包括能夠訪問在存儲器中存儲的數據以執行本文中描述的形成、動作、功能等的一個或多個處理器。如本文中使用的，“邏輯”是執行本文中描述的形成、動作、功能等的可替代或附加的處理資源，其相對于在存儲器中存儲的且可由處理器執行的計算機可執行指令(例如，軟件、固件等)包括硬件(例如，各種形式的晶體管邏輯、專用集成電路(ASIC)等)。
[0092]應當理解，本文提供的描述是以說明性的方式而非限制性的方式作出的。盡管本文已經圖示和說明關于裝置、系統、方法、計算設備和指令的特定示例，但是其它等同部件布置、指令和/或設備邏輯可以替換本文提供的特定示例，而不背離本公開的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種高密度激光器光學器件裝置，包括: 在單體地集成的陣列中的多個第一垂直腔表面發射激光器(VCSEL)； 高對比度光柵(HCG)，與所述多個第一 VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成，以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長；以及 多個單模波導，每個與光柵耦合器集成，所述多個單模波導連接至多個第一集成的VCSEL和HCG中的每個，其中所述光柵耦合器中的每個對準至一集成的VCSEL和HCG。
2.根據權利要求1所述的裝置，包括在單體地集成的陣列中的多個第二VCSEL，其中所述多個第二 VCSEL被配置為產生與被配置為由所述多個第一 VCSEL產生的波長離散的波長。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述多個第二VCSEL中的每個包括與其垂直腔的孔集成的HCG，使得由所述多個第二 VCSEL發出的激光發射波長的范圍與由所述多個第一VCSEL發出的激光發射波長的范圍離散。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中每個HCG使所述多個第一VCSEL中的每個能操作在單模下，以發出離散的激光發射波長。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中所述多個單模波導包括波分復用器(WDM)，所述波分復用器對各個所述離散的激光發射波長進行集成以在單個光波導中輸出。
6.根據權利要求4 所述的裝置，其中所述WDM是硅平臺上的硅石平面光波電路。
7.一種高密度激光器光學器件裝置，包括: 在單體地集成的陣列中的多個垂直腔表面發射激光器(VCSEL)； 高對比度光柵(HCG)，與所述多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成，以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長，其中所述多個激光發射波長各自以I納米至20納米的范圍間隔開；以及 多個單模波導，每個與光柵耦合器集成，所述多個單模波導連接至多個集成的VCSEL和HCG中的每個，其中所述光柵耦合器中的每個對準至一集成的VCSEL和HCG。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中所述光柵耦合器中的每個自對準至所述一集成的VCSEL 和 HCG。
9.根據權利要求7所述的裝置，進一步包括在用于所述多個集成的VCSEL和HCG以及所述多個單模波導的單個平臺上形成的電引線，其中所述電引線使能夠對包括待由所述集成的VCSEL和HCG轉換成光的數據的驅動電流進行調制。
10.根據權利要求7所述的裝置，進一步包括穩定所述多個集成的VCSEL和HCG的溫度的溫度穩定部件。
11.一種制造高密度激光器光學器件裝置的方法，包括: 處理半導體材料堆，以形成單體地集成的陣列中的多個垂直腔表面發射激光器(VCSEL)，其中所述半導體材料堆包括: 第一鏡面材料， 增益介質材料，以及 多個第二鏡面材料； 處理所述第一鏡面材料來形成高對比度光柵(HCG)，所述高對比度光柵與所述多個VCSEL中的每個的垂直腔的孔集成，以使能夠發出多個激光發射波長中的單個激光發射波長；以及 將與單模波導集成的光柵耦合器自對準至與HCG集成的所述多個VCSEL中的每個，其中將所述光柵耦合器中的每個與特定的集成VCSEL和HCG進行倒裝芯片自對準。
12.根據權利要求11所述的方法，其中將所述光柵耦合器中的每個與特定的集成VCSEL和HCG進行倒裝芯片自對準包括:匹配對應圖案中的焊料凸塊并且形成所匹配的焊料凸塊之間的接合。
13.根據權利要求11所述的方法，其中處理所述第一鏡面材料來形成HCG包括利用電子束光刻來刻蝕每個HCG的節距和占空比的預定變化，使得每個HCG的節距和占空比的預定變化對從所述多個VCSEL中的每個中發出離散的激光發射波長做出貢獻。
14.根據權利要求11所述的方法，進一步包括:處理所述增益介質材料的多個層來形成有源區，其中所述有源區包括多個量子阱。
15.根據權利要求14所述的方法，進一步包括:處理所述多個第二鏡面材料來在多個集成的VCSEL中的每 個的垂直腔的封閉端處形成多個分布式布拉格反射鏡，所述多個分布式布拉格反射鏡與所述多個量子阱結合對產生預定的波長做出貢獻。
【文檔編號】H01S5/183GK104011950SQ201280062546
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年1月18日 優先權日:2012年1月18日
【發明者】邁克爾·瑞恩·泰·譚, 戴維·A·法塔勒, 韋恩·V·瑟林, 沙吉·V·馬塔爾 申請人:惠普發展公司，有限責任合伙企業