應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片及其光電器件的制作方法
【專利摘要】本發明揭示了大耦合對準容差高速半導體激光芯片及其光電器件，芯片由半導體有源區及半導體無源區構成，有源區上設置有半導體激光器，有源區的電極上連接有激光驅動和調制器，所述半導體無源區由無源光波導構成。光電器件為傳輸速率為100Gb/s或400Gb/s的光電器件。本發明的有益效果主要體現在：無需制約于解理工藝，可根據所需激光器芯片的調制帶寬去設計相應的半導體激光器有源區的長度以減小寄生參數，從而提高激光器芯片的調制帶寬，通過引入具有光場模式轉換功能的無源光波導增長整個激光器芯片的長度，可采用標準半導體工藝制成，對準光耦合容差的增大也確保了激光器芯片的光耦合效率，具有尺寸小、功耗低、成本低、集成化程度高等優點。
【專利說明】應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片及其光電器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高速光通信系統中的激光器芯片和光電集成器件，尤其涉及超高速、超大容量光網絡用的大耦合對準容差的高速半導體激光器芯片，屬于光網絡通信領域。
【背景技術】
[0002]移動互聯網、云計算、物聯網、下一代數據中心等領域所帶來的市場需求，云計算的部署更加速了業務對網絡帶寬的需求，不斷交互的海量數據需要更強大的數據中心、更高的網絡帶寬，而數據中心市場的規模也一直以40%的速度在不斷增長。目前，全球設備供應商和廠家投入了大量資源去開發傳輸速率為40Gb/s、100Gb/s甚至400Gb/s光通信網絡技術與產品，作為超高速、超大容量光網絡的關鍵技術之一，40Gb/s和100Gb/S通信光電子芯片和光電子器件正在向著集成化、高帶寬、小尺寸、低功耗、低成本的方向發展，已成為了國內外開發和投資的熱點。
[0003]然而，為了實現更高的速度或者帶寬，通常要求提高半導體激光器芯片的工作速度和調制帶寬，相應就要求有極大降低激光器芯片的容抗，包括減小寄生電容等，但這直接導致了光芯片的長度減小，通過目前行業內解理的工藝就很難實現小于150微米長度的光芯片。并且由于光芯片尺寸的變小，其相應需要使用的工藝設備也變得昂貴，工藝處理復雜，光芯片本身的散熱和串擾也成為了技術難題，這些行業技術難題直接制約了超高速、超大容量光網絡的發展。
[0004]基于這些迫切的市場需求，以及目前業界遇到的技術困難，如何找到一種高速半導體激光器芯片的解決方案已成為當前光芯片和光器件制造供應商的當務之急。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于解決上述的技術問題，提出一種應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片及其光電器件。
[0006]本發明的目的，將通過以下技術方案得以實現:
應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，設置于襯底上，所述芯片由半導體有源區及半導體無源區構成，所述有源區上設置有半導體激光器，所述有源區的電極上連接有激光驅動和調制器，所述半導體無源區由無源光波導構成。
[0007]優選地，所述半導體激光器為分布式布拉格反射半導體激光器芯片、電吸收調制激光器或法布里-珀羅激光器。
[0008]優選地，所述大耦合對準容差半導體激光芯片為單片集成。
[0009]應用所述的大耦合對準容差半導體激光芯片的光電器件，所述光電器件內設置有多路并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，所述光電器件傳輸速率為100Gb/S或400Gb/s。
[0010]本發明的有益效果主要體現在:利用長度縮短的半導體有源區實現發光激射和提高高頻工作，在有源區出光面單片集成半導體無源區，該無源區具有光波導，可以實現將激光器發射的橢圓光模式轉化為圓形光模式，增大輸出光的耦合容差。將有源區和無源區單片集成到同一個襯底上，既保證了小尺寸有源區的高頻特性，同時，增加的無源區在不改變高頻特性的前提下，又增大了整個光芯片的尺寸、提高光耦合的對準容差，避免了使用高精度和復雜的工藝設備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為具有大的光耦合容差的高速半導體激光器芯片結構示意圖；
圖2為激光器調制帶寬與腔長的理論計算示意圖；
圖3為無源光波導實現光場模式轉換的仿真結果示意圖；
圖4為采用本發明方法實現的半導體激光器芯片示例示意圖；
圖5為采用本發明方法實現的半導體激光器芯片材料疊層結構示例示意圖；
圖6為采用本發明方法實現的100Gb/S光電器件示意圖。
【具體實施方式】
[0012]為了使本發明專利的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明專利進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明專利，并不用于限定本發明專利。
[0013]本發明專利采用的技術方案如圖1所示，包括:半導體激光器芯片有源區110、無源區109。具有光耦合對準容差大的高速半導體激光器芯片100，單片集成在同一襯底106上，襯底106可以是磷化銦基片或其它半導體基片。
[0014]半導體無源區的無源光波導可以具有光場模式轉換的功能，目的是在增加整個激光器芯片的長度的同時，提高光對準容差和光耦合效率；當然，也可以不具有光場模式轉換的功能，只是增加整個激光器芯片的長度。
[0015]有源區的激光器104是分布式布拉格反射半導體激光器(DFB-LD)芯片，根據不同的應用，激光器104也可以是電吸收調制激光器(EML)或其它激光器。通過在有源區110上的電極103加電流泵浦以及電數據信號調制，產生的激射調制光105通過直接光耦合或者垂直光耦合，實現部分光進入到無源光波導102中:無源光波導102是具有漸變結構的無源光波導，進入到其中的激射調制光105的光場模式,會在傳輸過程中從橢圓光場模式變為圓形光場模式，最后通過鍍有增透膜的端面108輸出，形成光模式轉換的輸出調制光107。
[0016]無源區109材料不同于有源區110的材料，對于其中的傳輸光沒有激勵或者放大的作用。
[0017]為了實現激光器芯片的高速工作，激光器芯片需要盡可能減小有源區的長度以降低相應的容抗，通常業界采用解理工藝獲得期望的芯片長度，但是目前解理工藝無法實現小于150微米的芯片長度，這樣就限制了激光器芯片的工作速度和調制帶寬。本發明的激光器芯片104由有源區110、無源區109構成，無需受限于當前解理工藝，有源區110的長度可根據需要的工作速度和調制帶寬設計成期望的尺寸。通過引入單片集成的無源區109，整個激光器芯片100的長度變長，容易滿足當前解理工藝的要求。
[0018]對于電流調制半導體激光器芯片，為了提高其工作速度和調制帶寬，除了提高激光器本身內部的光子濃度和微分增益系數，還要降低激光器的電學寄生因素的影響，這些電學寄生參數主要包括寄生電容、串聯電阻和引線電感等，尤其需要降低寄生電容及載流子在量子阱結構中的輸運過程，這些因素對激光器調制帶寬的限制起著根本的作用。寄生電容的存在限制了注入電流進入有源區，從而導致了高頻下微分增益系數的降低。因此，減小腔長不僅可以降低激光器的光子壽命、提高微分增益系數，而且可以降低寄生電容等電學寄生參數的影響。
[0019]圖2表明了理論計算對于半導體激光器芯片調制帶寬與有效腔長的關系，可以看出其工作速度和調制帶寬會隨著半導體激光器芯片的有效腔長的縮短而提高。但在實際應用中，較短的半導體激光器腔長會限制激光器的最大輸出光功率。為了達到需要的輸出光功率，較短的腔長會需要較高的驅動電流濃度，較高的驅動電流濃度所產生的熱效應反過來限制最大的調制帶寬，因此，半導體激光器的腔長不可能無限縮短下去，在實際中需要折衷考慮。
[0020]結合圖3，表示了高速半導體激光器芯片中無源區實現光場模式轉換的仿真結果:位于無源區200中的無源光波導201可以通過蝕刻等半導體工藝制作在半導體襯底205上(例如磷化銦基片)。根據應用的不同，無源光波導201可以是漸變結構、也可以是垂直結構等。在這里，以漸變結構為例，整個無源光波導201，從無源光波導的側切面202的進光端203漸變到出光端204，在其中傳輸的具有橢圓光場模式的入射光206，經過這個無源光波導201后,其光場模式變為大的圓形光場模式207。這個光場模式的轉換可以極大改善激光器芯片的輸出光耦合對準容差以及提高光耦合效率。半導體激光器芯片的輸出光通常需要耦合到光纖或者光波導中，半導體激光器芯片的輸出光通常具有小的、橢圓形或扁形光場模式，但是光纖或者光波導具有大的、圓形光場模式，因此將半導體激光器芯片與光纖或者光波導直接進行光耦合，其光對準容差小并且耦合效率很低。采用了本方法，半導體激光器芯片的輸出光具有與光纖或者光波導類似的光場模式，因此極大改善了激光器芯片的輸出光耦合對準容差以及提高光耦合效率。
[0021]圖4表示了采用本發明中所實現的能用于IOOGbE LR4 (滿足以太網10公里傳輸應用，4X25G)光電器件的一種半導體激光器芯片，該IOOGbE LR4光電器件要求使用4個調制帶寬達到28GHz的半導體激光器通過波分復用方式合光形成。為了實現單模工作的28GHz半導體激光器芯片，本發明提出的實施示例利用分布式布拉格反射半導體激光器原理實現單模工作，減小有源區長度以實現28GHz調制帶寬，引入漸變結構的無源光波導實現輸出光場模式轉換。半導體激光器芯片300，由有源區307和無源區308在襯底303單片集成:有源區307的長度小于150微米，整個半導體激光器芯片長度為200微米。通過在電極304上加入電流泵浦和電流調制，調制光信號會在有源區波導305中激勵生成，分布式布拉格光柵306確保了調制光信號的單模工作；單模激射光信號進入到漸變結構的無源光波導302中，光場模式變為大而圓的光信號，通過鍍有增透膜的端面301輸出。
[0022]圖5表示了所示例半導體激光器相應的材料疊層結構圖:該半導體激光器的材料疊層結構400包括使用η型磷化銦(η-ΙηΡ)材料的襯底403，ρ型磷化銦(ρ_ΙηΡ)的包層401，中間類似三明治結構夾著有源量子阱區404以及無源光波導區402。該材料疊層結構的好處是可以通過一次外延生長實現，通過蝕刻等工藝形成有源區和無源區的單片集成，在芯片波導制成工藝完成后，也只需要一次外延生長實現包層材料，整個半導體激光器芯片的制成工藝簡單可靠。
[0023]圖6表示了采用本發明專利示例的4個半導體激光器芯片所實現的IOOGbE LR4光電器件:在這個光電器件500中，4個調制帶寬達到28GHz的半導體激光器芯片501由有源區502激射出四個波長I1U2U3U4，這些光信號采用25Gb/s電流直接調制將數據信息加載上來，然后通過無源波導區503實現輸出光場模式的轉換，與波分光復用504中的光波導505具有類似的光場模式，從而實現光對準容差的提高，可以采用標準工藝設備進行光的對準，從而實現光耦合效率的提高。四個波長Ip 12、13、I4的光調制信號經過504合光后，通過焊接在光電器件殼體507上的收光器506實現IOOGbE的光調制信號輸出508。
【權利要求】
1.應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，設置于襯底上，其特征在于:所述芯片由半導體有源區及半導體無源區構成，所述有源區上設置有半導體激光器，所述有源區的電極上連接有激光驅動和調制器，所述半導體無源區由無源光波導構成。
2.如權利要求1所述的應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，其特征在于:所述半導體激光器為分布式布拉格反射半導體激光器、電吸收調制激光器或法布里-珀羅激光器。
3.如權利要求1所述的應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，其特征在于:所述大耦合對準容差半導體激光芯片為單片集成。
4.應用如權利要求1所述的應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片的光電器件，其特征在于:所述光電器件內設置有應用于高速并行光傳輸的大耦合對準容差半導體激光芯片，所述光電器件傳輸速率為100Gb/s或400Gb/s。
【文檔編號】H01S5/20GK103457156SQ201310394129
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】胡朝陽 申請人:蘇州海光芯創光電科技有限公司