应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片及其光电器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型揭示了大耦合对准容差高速半导体激光芯片及其光电器件，芯片由半导体有源区及半导体无源区构成，有源区上设置有半导体激光器，有源区的电极上连接有激光驱动和调制器，所述半导体无源区由无源光波导构成。光电器件为传输速率为100Gb/s或400Gb/s的光电器件。本实用新型的有益效果主要体现在：无需制约于解理工艺，可根据所需激光器芯片的调制带宽去设计相应的半导体激光器有源区的长度以减小寄生参数，从而提高激光器芯片的调制带宽，通过引入具有光场模式转换功能的无源光波导增长整个激光器芯片的长度，可采用标准半导体工艺制成，对准光耦合容差的增大也确保了激光器芯片的光耦合效率，具有尺寸小、功耗低、成本低、集成化程度高等优点。
【专利说明】应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片及其光电器件
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高速光通信系统中的激光器芯片和光电集成器件，尤其涉及超高速、超大容量光网络用的大耦合对准容差的高速半导体激光器芯片，属于光网络通信领域。
【背景技术】
[0002]移动互联网、云计算、物联网、下一代数据中心等领域所带来的市场需求，云计算的部署更加速了业务对网络带宽的需求，不断交互的海量数据需要更强大的数据中心、更高的网络带宽，而数据中心市场的规模也一直以40%的速度在不断增长。目前，全球设备供应商和厂家投入了大量资源去开发传输速率为40Gb/s、100Gb/s甚至400Gb/s光通信网络技术与产品，作为超高速、超大容量光网络的关键技术之一，40Gb/s和100Gb/S通信光电子芯片和光电子器件正在向着集成化、高带宽、小尺寸、低功耗、低成本的方向发展，已成为了国内外开发和投资的热点。
[0003]然而，为了实现更高的速度或者带宽，通常要求提高半导体激光器芯片的工作速度和调制带宽，相应就要求有极大降低激光器芯片的容抗，包括减小寄生电容等，但这直接导致了光芯片的长度减小，通过目前行业内解理的工艺就很难实现小于150微米长度的光芯片。并且由于光芯片尺寸的变小，其相应需要使用的工艺设备也变得昂贵，工艺处理复杂，光芯片本身的散热和串扰也成为了技术难题，这些行业技术难题直接制约了超高速、超大容量光网络的发展。
[0004]基于这些迫切的市场需求，以及目前业界遇到的技术困难，如何找到一种高速半导体激光器芯片的解决方案已成为当前光芯片和光器件制造供应商的当务之急。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于解决上述的技术问题，提出一种应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片及其光电器件。
[0006]本实用新型的目的，将通过以下技术方案得以实现:
[0007]应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，设置于衬底上，所述芯片由半导体有源区及半导体无源区构成，所述有源区上设置有半导体激光器，所述有源区的电极上连接有激光驱动和调制器，所述半导体无源区由无源光波导构成。
[0008]优选地，所述半导体激光器为分布式布拉格反射半导体激光器芯片、电吸收调制激光器或法布里-珀罗激光器。
[0009]优选地，所述大耦合对准容差半导体激光芯片为单片集成。
[0010]应用所述的大耦合对准容差半导体激光芯片的光电器件，所述光电器件内设置有多路并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，所述光电器件传输速率为100Gb/S或400Gb/s。[0011]本实用新型的有益效果主要体现在:利用长度缩短的半导体有源区实现发光激射和提高高频工作，在有源区出光面单片集成半导体无源区，该无源区具有光波导，可以实现将激光器发射的椭圆光模式转化为圆形光模式，增大输出光的耦合容差。将有源区和无源区单片集成到同一个衬底上，既保证了小尺寸有源区的高频特性，同时，增加的无源区在不改变高频特性的前提下，又增大了整个光芯片的尺寸、提高光耦合的对准容差，避免了使用高精度和复杂的工艺设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为具有大的光耦合容差的高速半导体激光器芯片结构示意图；
[0013]图2为激光器调制带宽与腔长的理论计算示意图；
[0014]图3为无源光波导在光场模式转换中的横切面结构示意图；
[0015]图4为无源光波导实现光场模式转换的侧切面结构示意图；
[0016]图5无源光波导实现光场模式转换在进光端的仿真结果示意图；
[0017]图6无源光波导实现光场模式转换在出光端的仿真结果示意图；
[0018]图7为采用本实用新型方法实现的半导体激光器芯片示例示意图；
[0019]图8为采用本实用新型方法实现的半导体激光器芯片材料叠层结构示例示意图；
[0020]图9为采用本实用新型方法实现的100Gb/s光电器件示意图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型专利，并不用于限定本实用新型专利。
[0022]本实用新型专利采用的技术方案如图1所示，包括:半导体激光器芯片有源区110、无源区109。具有光耦合对准容差大的高速半导体激光器芯片100，单片集成在同一衬底106上，衬底106可以是磷化铟基片或其它半导体基片。
[0023]半导体无源区的无源光波导可以具有光场模式转换的功能，目的是在增加整个激光器芯片的长度的同时，提高光对准容差和光耦合效率；当然，也可以不具有光场模式转换的功能，只是增加整个激光器芯片的长度。
[0024]有源区的激光器104是分布式布拉格反射半导体激光器(DFB-LD)芯片，根据不同的应用，激光器104也可以是电吸收调制激光器(EML)或其它激光器。通过在有源区110上的电极103加电流泵浦以及电数据信号调制，产生的激射调制光105通过直接光耦合或者垂直光耦合，实现部分光进入到无源光波导102中:无源光波导102是具有渐变结构的无源光波导，进入到其中的激射调制光105的光场模式,会在传输过程中从椭圆光场模式变为圆形光场模式，最后通过镀有增透膜的端面108输出，形成光模式转换的输出调制光107。
[0025]无源区109材料不同于有源区110的材料，对于其中的传输光没有激励或者放大的作用。
[0026]为了实现激光器芯片的高速工作，激光器芯片需要尽可能减小有源区的长度以降低相应的容抗，通常业界采用解理工艺获得期望的芯片长度，但是目前解理工艺无法实现小于150微米的芯片长度，这样就限制了激光器芯片的工作速度和调制带宽。本实用新型的激光器芯片104由有源区110、无源区109构成，无需受限于当前解理工艺，有源区110的长度可根据需要的工作速度和调制带宽设计成期望的尺寸。通过引入单片集成的无源区109，整个激光器芯片100的长度变长，容易满足当前解理工艺的要求。
[0027]对于电流调制半导体激光器芯片，为了提高其工作速度和调制带宽，除了提高激光器本身内部的光子浓度和微分增益系数，还要降低激光器的电学寄生因素的影响，这些电学寄生参数主要包括寄生电容、串联电阻和引线电感等，尤其需要降低寄生电容及载流子在量子阱结构中的输运过程，这些因素对激光器调制带宽的限制起着根本的作用。寄生电容的存在限制了注入电流进入有源区，从而导致了高频下微分增益系数的降低。因此，减小腔长不仅可以降低激光器的光子寿命、提高微分增益系数，而且可以降低寄生电容等电学寄生参数的影响。
[0028]图2表明了理论计算对于半导体激光器芯片调制带宽与有效腔长的关系，可以看出其工作速度和调制带宽会随着半导体激光器芯片的有效腔长的缩短而提高。但在实际应用中，较短的半导体激光器腔长会限制激光器的最大输出光功率。为了达到需要的输出光功率，较短的腔长会需要较高的驱动电流浓度，较高的驱动电流浓度所产生的热效应反过来限制最大的调制带宽，因此，半导体激光器的腔长不可能无限缩短下去，在实际中需要折衷考虑。
[0029]结合图3至图6，表示了高速半导体激光器芯片中无源区实现光场模式转换的仿真结果:位于无源区200中的无源光波导201可以通过蚀刻等半导体工艺制作在半导体衬底205上(例如磷化铟基片)。根据应用的不同，无源光波导201可以是渐变结构、也可以是垂直结构等。在这里，以渐变结构为例，整个无源光波导201，从无源光波导的侧切面202的进光端203渐变到出光端204，在其中传输的具有椭圆光场模式的入射光206，经过这个无源光波导201后,其光场模式变为大的圆形光场模式207。这个光场模式的转换可以极大改善激光器芯片的输出光耦合对准容差以及提高光耦合效率。半导体激光器芯片的输出光通常需要耦合到光纤或者光波导中，半导体激光器芯片的输出光通常具有小的、椭圆形或扁形光场模式，但是光纤或者光波导具有大的、圆形光场模式，因此将半导体激光器芯片与光纤或者光波导直接进行光耦合，其光对准容差小并且耦合效率很低。采用了本方法，半导体激光器芯片的输出光具有与光纤或者光波导类似的光场模式，因此极大改善了激光器芯片的输出光耦合对准容差以及提高光耦合效率。
[0030]图7表示了采用本实用新型中所实现的能用于IOOGbE LR4 (满足以太网10公里传输应用，4X25G)光电器件的一种半导体激光器芯片，该IOOGbE LR4光电器件要求使用4个调制带宽达到28GHz的半导体激光器通过波分复用方式合光形成。为了实现单模工作的28GHz半导体激光器芯片，本实用新型提出的实施示例利用分布式布拉格反射半导体激光器原理实现单模工作，减小有源区长度以实现28GHz调制带宽，引入渐变结构的无源光波导实现输出光场模式转换。半导体激光器芯片300，由有源区307和无源区308在衬底303单片集成:有源区307的长度小于150微米，整个半导体激光器芯片长度为200微米。通过在电极304上加入电流泵浦和电流调制，调制光信号会在有源区波导305中激励生成，分布式布拉格光栅306确保了调制光信号的单模工作；单模激射光信号进入到渐变结构的无源光波导302中，光场模式变为大而圆的光信号,通过镀有增透膜的端面301输出。
[0031]图8表示了所示例半导体激光器相应的材料叠层结构图:该半导体激光器的材料叠层结构400包括使用η型磷化铟(η-ΙηΡ)材料的衬底403，ρ型磷化铟(ρ_ΙηΡ)的包层401，中间类似三明治结构夹着有源量子阱区404以及无源光波导区402。该材料叠层结构的好处是可以通过一次外延生长实现，通过蚀刻等工艺形成有源区和无源区的单片集成，在芯片波导制成工艺完成后，也只需要一次外延生长实现包层材料，整个半导体激光器芯片的制成工艺简单可靠。
[0032]图9表示了采用本实用新型专利示例的4个半导体激光器芯片所实现的IOOGbELR4光电器件:在这个光电器件500中，4个调制带宽达到28GHz的半导体激光器芯片501由有源区502激射出四个波长Ip 12、13、I4，这些光信号采用25Gb/s电流直接调制将数据信息加载上来，然后通过无源波导区503实现输出光场模式的转换，与波分光复用504中的光波导505具有类似的光场模式，从而实现光对准容差的提高，可以采用标准工艺设备进行光的对准，从而实现光耦合效率的提高。四个波长1:、12、13、I4的光调制信号经过504合光后，通过焊接在光电器件壳体507上的收光器506实现IOOGbE的光调制信号输出508。
【权利要求】
1.应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，设置于衬底上，其特征在于:所述芯片由半导体有源区及半导体无源区构成，所述有源区上设置有半导体激光器，所述有源区的电极上连接有激光驱动和调制器，所述半导体无源区由无源光波导构成。
2.如权利要求1所述的应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，其特征在于:所述半导体激光器为分布式布拉格反射半导体激光器、电吸收调制激光器或法布里-珀罗激光器。
3.如权利要求1所述的应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，其特征在于:所述大耦合对准容差半导体激光芯片为单片集成。
4.应用如权利要求1所述的应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片的光电器件，其特征在于:所述光电器件内设置有应用于高速并行光传输的大耦合对准容差半导体激光芯片，所述光电器件传输速率为100Gb/s或400Gb/s。
【文档编号】H01S5/187GK203631972SQ201320543691
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】胡朝阳 申请人:苏州海光芯创光电科技有限公司