高相干性半导体光源的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2013年7月3日提交的相关共同未决的临时美国专利申请号 61/842, 770的优先权，其以引用方式整个地并入本文如同在本文中被完全阐述。
[0003] 政府资助申明
[0004] 本申请涉及在美国政府的支持下依据由美国陆军研究办公室授予的合同 号W911NF-10-1-0103和由美国国防部的国防高级研究计划局（DARPA)授予的合同号 HR0011-12-C-0006进行的发明。美国政府在涉及本申请的发明中具有某些权利。
[0005] 背景
技术领域
[0006] 本发明的实施例一般涉及光源。更具体地，本发明的示例性实施例涉及高相干性 半导体光源。
[0007] 分布式反馈（DFB)激光器可以设置在诸如激光二极管（LD)的半导体器件内。DFB LD的有源区可包括衍射光栅以给在窄的波长带上的激光提供光学反馈，所述窄的波长带可 以根据用来制造光栅的节距进行选择。DFB激光器的窄的输出频谱特性提升了它们在光通 信方面的有用性，其中信息是经光纤和其它传输介质的网络进行交换的。自20世纪70年 代中期以来，常规半导体分布式反馈激光器已被用来作为光源用于给基于光纤的因特网和 相关网络提供动力。自那时以来，伴随着对于较高的带宽和增加的数据速率的需求，网络流 量的量已迅速增长。
[0008] 例如，在过去20年中因特网的爆炸性增长已产生了对于带宽的几何级的增长需 求。现有的通信方法通常通过具有多信道的光纤网络来满足该带宽需求。使用密集波分复 用（DWDM)技术，多信道中的每个包括不同于其它信道中的每个的光学波长的光学波长。
[0009] 通过以最高至lOGb/s的速度调制光源的强度（例如，开/关键控），信息经DWDM 网络以每脉冲1比特进行传输。上面的数据速率通常受到由光纤传输介质诱发或引入的光 学损伤的限制。在光谱中的信道的可用数目的完全利用与调制速率的约束一起引爆了关于 对可选的信息传输方案的搜索，以满足不断增加的带宽需求。
[0010] 对于在越来越高的数据速率下传输信息的增长的需求已引起相干通信的开发，其 中信息是在光波上主要使用其相位的调制来进行编码的。涉及其固有的相位相干特性或时 间相干特性的基于量子的局限性，限制常规DFB激光器的相位稳定性。因此，常规DFB激光 器的信道容量不足以处理通过网络到相干通信的迀移强加的需求。
[0011] 因此，在半导体DFB激光器中一直长期寻求改善的相干性。先前的方法已经使 用了激光腔的伸长、用于其中的纵模工程的多个相移、有源激光介质的最佳化，例如应变 QW(量子讲），以及波长失谐。
[0012] 然而，在商业和其它常规或最先进的激光器中使用此类技术实现的频谱线宽仍然 居高不下。例如，常规DFB激光器的频谱线宽保持在100kHz以上，并且该线宽值自身反映 了仅使用高栗电流可以达到的狭窄。此外，在该水平下的线宽仍然过高而难以满足通过多 相位相干通信和其它有用的应用呈现的需求。
[0013] 具有低于1kHz的线宽的一些基于光纤激光器和具有低于10kHz的线宽的外腔激 光器（ECL)具有高相干特性。然而，它们通常具有庞大且复杂的结构，这使它们不符合增长 网络的物理规模的需求。
[0014] 当代光通信网络广泛地通过包括常规的DFBLD的半导体激光器来提供动力，这是 因为得益于它们的小尺寸、高功率输出、高效率、低成本和与相关的电子电路的潜在的集成 机会。然而，由于其显著的相位噪声特性，主要是固有量子力学的起源，包括典型的常规DFB LD的常规半导体激光器通常不能满足对超高速通信网络的严格的频谱纯度需求。
[0015] 因此，半导体分布式反馈激光器能够在不使用DWDM的情况下处理由相干通信网 络强加的要求将是有用的。因此，不含在常规DFB激光器中固有的基于量子的相位相干特 性或时间相干特性的分布式反馈激光器也将是有用的。将进一步有用的是，显著改善了和 分布式反馈激光器相对于常规DFBLD的相位相干特性或时间相干特性以及信道容量。
[0016] 本节中描述的方法可以，但不一定，之前已经被构思或实行。除非另外指明，否则 不应该假设以上讨论的任何方法包括仅通过任何此类讨论的任何所谓的现有技术。同样， 与这些方法中的任一种相关的任何所讨论的问题不应该被假设成已经被识别为任何仅基 于任何以上此类讨论的所谓的现有技术。
[0017] 概述
[0018] 本发明的示例性实施例涉及用于激光器件的谐振器。激光谐振器具有用于放大与 谐振器的光学增益相关联的光的至少一个有源材料。激光谐振器还具有邻近至少一个有源 材料设置的一个或多个无源材料，其中谐振器在一个或多个光学模式中振荡，所述一个或 多个光学模式中的每个对应于特定空间能量分布和谐振频率，并且其中，基于一个或多个 无源材料的特性，对于对应于一个或多个光学模式中的至少一个的特定空间能量分布，光 能的优势部分远离有源材料进行分布。
[0019] -个或多个无源材料可包括用于存储远离有源材料分布的优势部分的光能的低 损耗材料。一个或多个无源材料还可包括设置在低损耗材料和至少一个有源材料之间的缓 冲材料，所述缓冲材料用于控制存储在低损耗材料中的光能与在有源材料中的光能的部分 的比率。缓冲材料可包括具有低折射率的二氧化硅类的材料。有源材料可包括III-V族材 料，并且低损耗材料可包括硅。无源材料可以设置在层中，所述层中的至少一个与具有有源 材料的层键合（例如，晶片键合）。
[0020] 低损耗无源材料可以配置有孔的图案。配置的孔图案可确定谐振器的振荡频率、 输出速率和输出模式分布图并阻止从其进行的自发发射。孔的图案可具有一维（1D)的配 置，诸如线性或接近线性的方面。孔的配置图案可包括大约均匀尺寸的孔的大约均匀阵列， 和设置在孔的大约均匀阵列内的（例如，在中央区域上、中或附近的）缺陷（例如，涉及大 约均匀尺寸）。
[0021] 本发明的示例性实施例还涉及具有设置在半导体管芯上的此类谐振器的激光器 件。激光器件可具有附接至半导体管芯的散热器部件，并且该散热器部件被配置成利用其 用于从激光器件的谐振器除去在有源材料中产生的热量。散热器可以附接至半导体管芯， 相对于激光谐振器的有源材料，呈外延侧朝下配置（或其它配置）。激光器件还可具有附接 至半导体管芯的检测器部件，并且该检测器部件被配置成利用其用于确定激光谐振器的 输出特性。输出特性可涉及测量谐振器输出的频率噪声相关分量，其可包括计算谐振器输 出的高频噪声谱并抑制谐振器输出的低频波动的测量。
[0022] 本文中发射激光是指通过由激光（通过受激辐射发射的光放大）工艺产生一个或 多个红外线、可见光、紫外线等的波长的相干光。本发明的示例性实施例涉及用于发射激光 的方法，其包括放大与在光学谐振器的至少一个有源材料中的光学增益相关联的光，以及 在谐振器内分布空间能量，其中邻近至少一个有源材料设置一个或多个无源材料，其中所 述谐振器在一个或多个光学模式中振荡，所述一个或多个光学模式中的每个对应于特定空 间能量分布和谐振频率，并且其中，基于一个或多个无源材料的特性，对于对应于一个或多 个光学模式中的至少一个的特定空间能量分布，光能的优势部分远离有源材料进行分布。
[0023] -个或多个无源材料可包括用于存储远离有源材料分布的优势部分的光能的低 损耗材料，以及缓冲材料，其被设置在低损耗材料和至少一个有源材料之间并且有效地控 制存储在低损耗材料中的光能与在有源材料中的光能的部分的比率。示例性实施例涉及激 光器，例如，用于支撑此类激光工艺的系统、器件产品等，以及涉及用于制造它们的方法。
[0024] 因此，示例性实施例可实现高Q的分离功能的半导体激光器（高QSFL)，其特征 在于在相位干涉方面比高品质常规DFB激光器具有一个数量级的改善。例如，本发明的实 施例是利用在1. 55微米（μm)的常用光通信波长下具有18千赫（kHz)的频谱线宽的高Q SFL来实现。
[0025] 本发明的示例性实施例是使用光学相位和/或正交幅度调制以在复2D相位平面 上编码信息来实现的。因此，使用光学相位/正交幅度调制（PQAM)可消除DWDM。
[0026] 示例实现可在接收器处使用相干检测（CD)来恢复因此在发射器处编码的光信号 的全域，包括信号的幅度和相位。相干检测允许本发明的实施例使用数字信号处理（DSP) 技术来校正或补偿光纤诱发的光学损伤，诸如色散和偏振模色散。因此，示例实现可优于通 常使用的直接检测方法的能力。
[0027] 附图简述
[0028] 下面关于高相干性半导体光源描述了本发明的示例性实施例。下面的描述涉及以 下附图，其构成本申请的说明书的一部分的。在附图中：
[0029] 图1示出的是表示各种频谱效率的调制方案的示例星座图；
[0030] 图2根据本发明的实施例示出了在调相中的噪声影响的示例；
[0031] 图3根据本发明的实施例示出了示例性自发发射事件的相量表示；
[0032] 图4根据本发明的实施例示出了第一示例性混合Si/111-V族激光器的示意性横 截面；
[0033] 图5根据本发明的实施例示出了示例性高Q光子谐振器的顶视图；
[0034] 图6根据本发明的实施例示出了第二示例性混合Si/111-V族激光器的示意性横 截面；
[0035] 图7A和图7B示出了量子噪声对线宽的影响的表示；
[0036] 图8A根据本发明的实施例不出了第一不例性热耗散配置；
[0037] 图8B根据本发明的实施例示出了第二示例性热耗散配置；
[0038] 图9根据本发明的实施例示出了用于示例性制造工艺的流程图；
[0039] 图10根据本发明的实施例示出了示例性高QSFL器件的横截面；
[0040] 图11A根据本发明的实施例示出了示例性高QSFL器件的透视；
[0041] 图11B根据本发明的实施例示出了高QSFL器件的示例性光栅部件；
[0042] 图12A根据本发明的实施例示出了示例性光栅部件的几何形状的顶视图；
[0043] 图12B根据本发明的实施例示出了针对与其有关的所模拟的传输频谱所绘制的 示例性高Q混合谐振器的空间能带结构；
[0044] 图12C根据本发明的实施例示出了示例性局部晶胞的色散图；
[0045] 图12D根据本发明的实施例示出了关于示例性高Q混合谐振器的纵向场所模拟的 强度分布；
[0046] 图12E根据本发明的实施例示出了示例性高Q混合谐振器的纵向场的傅立叶分量 的幅度分布；
[0047] 图12F根据本发明的实施例示出了关于示例性高QSFL所模拟的发射频谱；
[0048] 图13A根据本发明的示例性实施例示出了针对在各种操作温度下栗电流所绘制 的光功率；
[0049] 图13B根据本发明的示例性实施例示出了针对在各种操作温度下栗电流所绘制 的光（光功率输出）；
[0050] 图13C根据本发明的实施例示出了在给定栗电流和在一定温度下示例性高QSFL 的光学频谱；
[0051] 图13D根据本发明的实施例示出了在给定驱动电流和一定温度下各种光栅周期 的示例性高QSFL的光学频谱；
[0052] 图14根据本发明的实施例示出了示例性高QSFL的频率噪声谱；
[0053]图15A根据本发明的实施例示出了作为从阈值偏置的栗电流的函数的示例性高Q SFL的肖洛-汤斯线宽；
[0054]图15B根据本发明的实施例示出了作为肖洛-汤斯线宽各自的发射波长的函数的 肖洛-汤斯线宽的分布，例如在若干独立的半导体芯片上制造的多个激光棒上实现的示例 性高QSFL器件；
[0055] 图16A示出了传统激光器的典型的模态能量分布；以及，
[0056] 图16B根据本发明的实施例示出了关于激光器的示例性模态能量分布；
[0057] 除非且除特别说明外，否则没有比例应用于这些附图中，如参考在附图（图）7A中 所示的垂直轴和水平轴等。
[0058] 详细描述
[0059] 激光谐振器在本文中是关于示例性高相干性半导体光源进行描述的。示例性实施 例是关于高Q分离功能混合激光器进行描述的。在以下描述中，为了解释的目的，阐述许多 具体细节，以便提供对本发明的彻底理解。然而，应当理解的是，本发明的实施例可以在没 有这些具体细节的情况下实行。在其它情况下，众所周知的结构和器件没有在详尽的细节 上进行描述，以便避免不必要地混淆、阻碍、模糊或阻塞本发明的实施例的各个方面。
[0060] 综述
[0061] 激光谐振器包括放大与谐振器的光学增益相关联的光的有源材料，和邻近有源材 料设置的无源材料。谐振器在一个或多个光学模式中振荡，所述一个或多个光学模式中的 每个对应于特定空间能量分布和谐振频率。基于无源材料的特性，对于对应于光学模式中 的至少一个的特定空间能量分布，光能的优势部分远离有源材料进行分布。无源材料可包 括存储远离有源材料分布的优势光能部分的低损耗材料，和设置在低损耗材料和有源材料 之间的缓冲材料，其控制存储在低损耗材料中的光能与在有源材料中的光能的部分的比 率。
[0062] 光学相位/ |H夺幅度调制
[0063] 本发明的示例性实施例是使用光学相位和/或正交幅度调制以在复2D相位平面 上编码信息来实现的。使用光学相位/正交幅度调制（PQAM)可消除常规DWDM方法（或可 与常规DWDM方法结合），并且允许在相干通信和其它应用中使用示例性实施例。图1示出 表示各种频谱效率的调制方案的示例性星座图。
[0064] 在光学载波的相位仅对照于其幅度方面编码信息，允许在频谱效率（比特/Hz)方 面的增加，并且因此，允许更有效地利用可用频谱。例如，根据光信号的强度调制光信号允 许每个幅度值，例如，'开'或'关'，以分别仅表示单个数据位，例如，' 〇'或' 1'。
[0065] 更有些频谱效率可以使用QPSK(正交相移键控）和8-PSK调制模式来实现， QPSK(正交相移键控）和8-PSK调制模式分别允许设置在复平面上的每个符号表示两 个⑵符号（例如，00、01、10、11)，和三个（3)符号（例如，000、001、010、000等）。在 16-QAM(正交幅度调制）方案中，每个脉冲可以传输四（4)比特，这表示在给定调制（波特） 速率下经常规强度调制的带宽的四倍。
[0066] 商业通信链路现在可基于双偏振、正交相移键控（DP-QPSK)在每信道100Gb/S的 数据速率下操作，并且具有400Gb/s的线的"下一代"线现在正在开发中。本发明的示例性 实施例可以使用更高水平的调制格式（例如16、64、256-QAM)来实现。与使用DWDM技术相 结合，示例性实施例可以用于提供Tb/s的规模网络带宽。
[0067] 提高激光源的频谱纯度允许它们使用较高复杂性的更有效的相位星座来传输信 息。然而，自发发射和其它此类量子噪声的影响可散射、扩散或涂抹（smear)基于相位的信 号信息。此类固有的相位噪声特性导致利用其传输的符号的相位的扩散。图2示出了在相 位调制方面的噪声影响的示例。如图