模式控制激光系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]随着对于高速通信和处理的需求已经增加，光通信已经变得更流行。数据通信链路可包括经由激光器将光信号耦合到光纤或波导的光耦合，以将光信号提供到目的地设备以进行处理。可将用于10吉比特每秒(Gbps)的通信速度的数据通信链路实施为由于眼睛安全需求而具有大致较低(例如，近似6dB)的耦合效率。可针对更高的速度(例如，25Gbps)实施数据通信链路，但是数据通信链路可能要求较大的耦合效率，以基本上减轻接收机噪声和调制消光比，并且可能局限于用于底板应用中以基于较高的耦合效率去除眼睛安全需求。
【附图说明】
[0002]图1图示出模式控制激光系统的示例。
[0003]图2图示出模式控制的示例图。
[0004]图3图示出进行模式控制的VCSEL的示例。
[0005]图4图示出HCG模式控制元件的示例。
[0006]图5图示出HCG模式控制元件的另一个示例。
[0007]图6图示出模式转换的示例图。
[0008]图7图示出光耦合系统的示例。
[0009]图8图示出光耦合系统的另一个示例。
[0010]图9图示出用于将光信号从VCSEL耦合到光传播器件的示例性方法。
【具体实施方式】
[0011]图1图示出模式控制激光系统10的示例。可在各种光通信系统中的任何一种中实施模式控制激光系统10，以生成调制光信号0PTSI5。可例如将模式控制激光系统10实施为诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)的空间单模或多模激光器。例如，可在光学器件封装件中将模式控制激光系统10实施为可被安装在底板或印刷电路板(PCB)上的光发射机系统，以在计算机系统中提供高速光通信。举例来说，可在高速(例如，25Gbps或更高)光通信系统中实施模式控制激光系统10。
[0012]模式控制激光系统10包括有源区12，有源区12被配置为响应于诸如可被实施为调制光信号OPTsiJ^电信号E %来生成光能量。模式控制激光系统10还包括至少一个反光镜14和高对比度光栅(HCG)模式控制元件16。反光镜14被配置为使光能量在被限定于模式控制激光系统10的容积内的光腔中发生共振。例如，反光镜14可被配置为分布式布拉格反射器(DBR)，诸如包括多个(例如，二十五个或更多)具有单独折射率的交替材料层。因而，反光镜14可近似反射99%或更多。
[0013]HCG模式控制反射器16可被配置为包括多个由具有高折射率的材料组成的共振结构的平面HCG反射器。举例来说，具有高折射率的材料可使共振结构的折射率与周边材料的折射率之间的差大于或等于一。作为另一个示例，多个共振结构可具有是在其中发生共振的光能量的亚波长的尺度(例如，宽度)。因此，光腔可包括反光镜14和HCG模式控制反射器16，使得可通过在反光镜14和HCG模式控制反射器16之间的尺度(例如，距离)来限定光腔，以使光能量在反光镜14和HCG模式控制反射器16之间发生共振。
[0014]HCG模式控制反射器16的多个共振元件可被配置为对入射在其上的光能量的各部分进行有选择性的相位延迟并且提供振幅控制，以提供光能量的强度分布的光模式控制。举例来说，可将模式控制的强度分布布置为基本上非高斯强度分布。如在本文所描述的，基本上非高斯强度分布是关于光信号OPTsni的中心轴不是高斯强度分布，使得光信号OPTsiJ^最大强度不是居中于光信号OPTsis的中心轴上。举例来说，非高斯强度分布可以是基本上离轴强度分布，使得光信号OPTsi5的光能量在光信号OPT %的中心轴处基本上最小(例如，近似的环状)。作为另一个示例，非高斯强度分布可以是诸如在有源区12中生成的单模强度分布。可例如从具有基本上非高斯强度分布的HCG模式控制反射器16发出光信号OPTsis (例如参见图2) ο
[0015]图2图示出模式控制的示例图50。在平面图中示范出图50，并且图50包括被配置为生成从HCG模式控制反射器56 (例如，基本上类似于HCG模式控制反射器16)发出的光信号54的VCSEL 52。基于以58示范的笛卡儿坐标系统在XY平面视图中在图2的示例中示范出VCSEL 52和光信号54。将光信号54示为展现基本上非高斯强度分布，使得光信号54的光能量关于中心轴60基本上减轻(例如，对应于近似的环状强度分布)。在基于以64示范的笛卡儿坐标系统的YZ平面视图中，在诸如沿信号54的线A-A所取的剖视图62中示范出在笛卡儿坐标系统58中的光信号54。在图2的示例中，将基本上非高斯强度分布示为近似的环状。然而，但应当理解，可以以任何各种其他类型的形状来展现基本上离轴强度分布。例如，基本上非高斯强度分布可具有除基本上圆形之外的诸如方形、矩形、六角形或各种其他形状的外径和/或内径截面形状。作为另一个示例，反射模式控制的强度分布可以是诸如叶型图案或其他图案之类的基本上围绕近似的中心点的中断图案，以基本上维持模式控制。
[0016]返回参考图1的示例，基于在模式控制激光系统10内部的光能量的模式控制，可将模式控制激光系统10实施为与典型的单模VCSEL系统相比以基本上更大的光功率生成光信号0PTSI(；。在图1和图2的示例中，可利用有源区12的相当大的模容积，来生成在模式控制激光系统10的光腔中发生共振的光能量，因而允许在基本上非高斯强度分布的控制模式中(例如，从HCG模式控制反射器16)发出基本上所有的光能量。因而，关于光功率，光信号OPTsk的发射可因此基本上类似于多模光发射。另外地，如在本文更详细地描述的，可将基本上非高斯强度分布集中到不同的强度分布(例如，单模强度分布)，该不同的强度分布与由典型的单模VCSEL系统基于典型的VCSEL(例如，典型的高斯单模VCSEL)的受限有源区容积和/或孔尺度所生成的光信号(例如，单模高斯光信号)相比，可具有显著大的光功率。因此，与典型的VCSEL系统相比，模式控制激光系统10可展现显著大的功率效率，诸如可被实施为提供高速的(例如，25Gbps或更高的)光通信。
[0017]图3图示出进行模式控制的VCSEL 100的示例。VCSEL 100可对应于图1的示例中的模式控制激光系统10。因此，在以下图3的示例描述中对图1和图2的示例进行参考。例如，可将VCSEL 100作为在阵列中被制造在一起的多个VCSEL之一制造在晶圆上。举例来说，包括VCSEL 100的阵列中的VCSEL可都具有近似相等的直径(例如，8 μm)，并且可彼此分开基本上更大的距离(例如，250 μπι)。VCSEL 100包括有源区层102，其被配置为响应于电信号(例如，图1的示例中的电信号Esk)生成光能量，该电信号诸如可被实施为对光输出信号(例如，光信号OPTsis)进行调制。VCSEL 100还包括反光镜层104，其可被配置为诸如可实现近似99 %或更多的反射率的、高度反射的DBR反光镜。
[0018]VCSEL 100还包括HCG模式控制层106，其可被图案化在基板108上。例如，HCG模式控制层106可被配置为包括多个由具有高折射率的材料组成的共振结构的反射器。多个共振结构可由诸如非晶硅、砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)之类的各种高折射率材料形成。举例来说，基板108可以是半导体材料(例如，GaAs或InP)。例如，多个共振结构可被空气围绕，或可被具有比共振结构的折射率小至少一的折射率的另一个材料围绕。也就是说，共振结构的材料的折射率与周边材料的折射率之间的差可大于或等于一。举例来说，共振结构可基于梯度图案被布置在HCG模式控制层106的表面上。照此，HCG模式控制层106可对于入射在梯度图案的单独部分上的光能量不同地展现相位延迟以及振幅控制，以实施模式控制。
[0019]在诸如图3中示出的一些示例中，VCSEL 100可包括附加反光镜层110。附加反光镜层110可被配置为与反光镜层104相比具有较小层数的DBR反射器(例如，五层或更少层)，诸如足以实现关于HCG模式控制层106的较高总反射率(例如，近似99%或更大)。附加反光镜层110可被布置在HCG模式控制层106上方，如在图3的示例中示范的，可被布置在基板108和HCG模式控制层106之间，或可基于HCG模式控制层106的反射率被消除。另外，应当理解，在有或没有附加反光镜层110的情况下将HCG模式控制层106实施为反射器，可得到与具有基本上可比较的反射率的典型DBR反射器相比具有显著更小厚度的反射器。结果，与典型的VCSEL相比，将HCG模式控制层106实施为反射器的VCSEL 100可以具有更快的调制响应时间。
[0020]反光镜层104和附加反光镜层110和/或HCG模式控制层106可因而形成VCSEL100中的共振光腔。因而，在有源区层102中生成的光能量可因而在光腔中发生共振，并且从VCSEL 100 (例如，经由HCG模式控制层106)发出。在图3的示例中，VCSEL 100可被配置为从HCG模式控制层106发出光能量。但应当理解，在反向VCSEL布置中，VCSEL 100可通过基板发出光能量。基于HCG模式控制层106的共振结构的模式控制特征，可将光能量作为诸如在本文公开的具有基本上非高斯强度分布的光信号(例如，光信号OPTsk)来发出。
[0021]如在先前所描述的