高相干性半導(dǎo)體光源的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本申請要求2013年7月3日提交的相關(guān)共同未決的臨時美國專利申請?zhí)?61/842, 770的優(yōu)先權(quán)，其以引用方式整個地并入本文如同在本文中被完全闡述。
[0003] 政府資助申明
[0004] 本申請涉及在美國政府的支持下依據(jù)由美國陸軍研究辦公室授予的合同 號W911NF-10-1-0103和由美國國防部的國防高級研究計(jì)劃局（DARPA)授予的合同號 HR0011-12-C-0006進(jìn)行的發(fā)明。美國政府在涉及本申請的發(fā)明中具有某些權(quán)利。
[0005] 背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0006] 本發(fā)明的實(shí)施例一般涉及光源。更具體地，本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及高相干性 半導(dǎo)體光源。
[0007] 分布式反饋（DFB)激光器可以設(shè)置在諸如激光二極管（LD)的半導(dǎo)體器件內(nèi)。DFB LD的有源區(qū)可包括衍射光柵以給在窄的波長帶上的激光提供光學(xué)反饋，所述窄的波長帶可 以根據(jù)用來制造光柵的節(jié)距進(jìn)行選擇。DFB激光器的窄的輸出頻譜特性提升了它們在光通 信方面的有用性，其中信息是經(jīng)光纖和其它傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換的。自20世紀(jì)70年 代中期以來，常規(guī)半導(dǎo)體分布式反饋激光器已被用來作為光源用于給基于光纖的因特網(wǎng)和 相關(guān)網(wǎng)絡(luò)提供動力。自那時以來，伴隨著對于較高的帶寬和增加的數(shù)據(jù)速率的需求，網(wǎng)絡(luò)流 量的量已迅速增長。
[0008] 例如，在過去20年中因特網(wǎng)的爆炸性增長已產(chǎn)生了對于帶寬的幾何級的增長需 求。現(xiàn)有的通信方法通常通過具有多信道的光纖網(wǎng)絡(luò)來滿足該帶寬需求。使用密集波分復(fù) 用（DWDM)技術(shù)，多信道中的每個包括不同于其它信道中的每個的光學(xué)波長的光學(xué)波長。
[0009] 通過以最高至lOGb/s的速度調(diào)制光源的強(qiáng)度（例如，開/關(guān)鍵控），信息經(jīng)DWDM 網(wǎng)絡(luò)以每脈沖1比特進(jìn)行傳輸。上面的數(shù)據(jù)速率通常受到由光纖傳輸介質(zhì)誘發(fā)或引入的光 學(xué)損傷的限制。在光譜中的信道的可用數(shù)目的完全利用與調(diào)制速率的約束一起引爆了關(guān)于 對可選的信息傳輸方案的搜索，以滿足不斷增加的帶寬需求。
[0010] 對于在越來越高的數(shù)據(jù)速率下傳輸信息的增長的需求已引起相干通信的開發(fā)，其 中信息是在光波上主要使用其相位的調(diào)制來進(jìn)行編碼的。涉及其固有的相位相干特性或時 間相干特性的基于量子的局限性，限制常規(guī)DFB激光器的相位穩(wěn)定性。因此，常規(guī)DFB激光 器的信道容量不足以處理通過網(wǎng)絡(luò)到相干通信的迀移強(qiáng)加的需求。
[0011] 因此，在半導(dǎo)體DFB激光器中一直長期尋求改善的相干性。先前的方法已經(jīng)使 用了激光腔的伸長、用于其中的縱模工程的多個相移、有源激光介質(zhì)的最佳化，例如應(yīng)變 QW(量子講），以及波長失諧。
[0012] 然而，在商業(yè)和其它常規(guī)或最先進(jìn)的激光器中使用此類技術(shù)實(shí)現(xiàn)的頻譜線寬仍然 居高不下。例如，常規(guī)DFB激光器的頻譜線寬保持在100kHz以上，并且該線寬值自身反映 了僅使用高栗電流可以達(dá)到的狹窄。此外，在該水平下的線寬仍然過高而難以滿足通過多 相位相干通信和其它有用的應(yīng)用呈現(xiàn)的需求。
[0013] 具有低于1kHz的線寬的一些基于光纖激光器和具有低于10kHz的線寬的外腔激 光器（ECL)具有高相干特性。然而，它們通常具有龐大且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這使它們不符合增長 網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)模的需求。
[0014] 當(dāng)代光通信網(wǎng)絡(luò)廣泛地通過包括常規(guī)的DFBLD的半導(dǎo)體激光器來提供動力，這是 因?yàn)榈靡嬗谒鼈兊男〕叽?、高功率輸出、高效率、低成本和與相關(guān)的電子電路的潛在的集成 機(jī)會。然而，由于其顯著的相位噪聲特性，主要是固有量子力學(xué)的起源，包括典型的常規(guī)DFB LD的常規(guī)半導(dǎo)體激光器通常不能滿足對超高速通信網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格的頻譜純度需求。
[0015] 因此，半導(dǎo)體分布式反饋激光器能夠在不使用DWDM的情況下處理由相干通信網(wǎng) 絡(luò)強(qiáng)加的要求將是有用的。因此，不含在常規(guī)DFB激光器中固有的基于量子的相位相干特 性或時間相干特性的分布式反饋激光器也將是有用的。將進(jìn)一步有用的是，顯著改善了和 分布式反饋激光器相對于常規(guī)DFBLD的相位相干特性或時間相干特性以及信道容量。
[0016] 本節(jié)中描述的方法可以，但不一定，之前已經(jīng)被構(gòu)思或?qū)嵭小３橇硗庵该?，否則 不應(yīng)該假設(shè)以上討論的任何方法包括僅通過任何此類討論的任何所謂的現(xiàn)有技術(shù)。同樣， 與這些方法中的任一種相關(guān)的任何所討論的問題不應(yīng)該被假設(shè)成已經(jīng)被識別為任何僅基 于任何以上此類討論的所謂的現(xiàn)有技術(shù)。
[0017] 概述
[0018] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及用于激光器件的諧振器。激光諧振器具有用于放大與 諧振器的光學(xué)增益相關(guān)聯(lián)的光的至少一個有源材料。激光諧振器還具有鄰近至少一個有源 材料設(shè)置的一個或多個無源材料，其中諧振器在一個或多個光學(xué)模式中振蕩，所述一個或 多個光學(xué)模式中的每個對應(yīng)于特定空間能量分布和諧振頻率，并且其中，基于一個或多個 無源材料的特性，對于對應(yīng)于一個或多個光學(xué)模式中的至少一個的特定空間能量分布，光 能的優(yōu)勢部分遠(yuǎn)離有源材料進(jìn)行分布。
[0019] -個或多個無源材料可包括用于存儲遠(yuǎn)離有源材料分布的優(yōu)勢部分的光能的低 損耗材料。一個或多個無源材料還可包括設(shè)置在低損耗材料和至少一個有源材料之間的緩 沖材料，所述緩沖材料用于控制存儲在低損耗材料中的光能與在有源材料中的光能的部分 的比率。緩沖材料可包括具有低折射率的二氧化硅類的材料。有源材料可包括III-V族材 料，并且低損耗材料可包括硅。無源材料可以設(shè)置在層中，所述層中的至少一個與具有有源 材料的層鍵合（例如，晶片鍵合）。
[0020] 低損耗無源材料可以配置有孔的圖案。配置的孔圖案可確定諧振器的振蕩頻率、 輸出速率和輸出模式分布圖并阻止從其進(jìn)行的自發(fā)發(fā)射?？椎膱D案可具有一維（1D)的配 置，諸如線性或接近線性的方面?？椎呐渲脠D案可包括大約均勻尺寸的孔的大約均勻陣列， 和設(shè)置在孔的大約均勻陣列內(nèi)的（例如，在中央?yún)^(qū)域上、中或附近的）缺陷（例如，涉及大 約均勻尺寸）。
[0021] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例還涉及具有設(shè)置在半導(dǎo)體管芯上的此類諧振器的激光器 件。激光器件可具有附接至半導(dǎo)體管芯的散熱器部件，并且該散熱器部件被配置成利用其 用于從激光器件的諧振器除去在有源材料中產(chǎn)生的熱量。散熱器可以附接至半導(dǎo)體管芯， 相對于激光諧振器的有源材料，呈外延側(cè)朝下配置（或其它配置）。激光器件還可具有附接 至半導(dǎo)體管芯的檢測器部件，并且該檢測器部件被配置成利用其用于確定激光諧振器的 輸出特性。輸出特性可涉及測量諧振器輸出的頻率噪聲相關(guān)分量，其可包括計(jì)算諧振器輸 出的高頻噪聲譜并抑制諧振器輸出的低頻波動的測量。
[0022] 本文中發(fā)射激光是指通過由激光（通過受激輻射發(fā)射的光放大）工藝產(chǎn)生一個或 多個紅外線、可見光、紫外線等的波長的相干光。本發(fā)明的示例性實(shí)施例涉及用于發(fā)射激光 的方法，其包括放大與在光學(xué)諧振器的至少一個有源材料中的光學(xué)增益相關(guān)聯(lián)的光，以及 在諧振器內(nèi)分布空間能量，其中鄰近至少一個有源材料設(shè)置一個或多個無源材料，其中所 述諧振器在一個或多個光學(xué)模式中振蕩，所述一個或多個光學(xué)模式中的每個對應(yīng)于特定空 間能量分布和諧振頻率，并且其中，基于一個或多個無源材料的特性，對于對應(yīng)于一個或多 個光學(xué)模式中的至少一個的特定空間能量分布，光能的優(yōu)勢部分遠(yuǎn)離有源材料進(jìn)行分布。
[0023] -個或多個無源材料可包括用于存儲遠(yuǎn)離有源材料分布的優(yōu)勢部分的光能的低 損耗材料，以及緩沖材料，其被設(shè)置在低損耗材料和至少一個有源材料之間并且有效地控 制存儲在低損耗材料中的光能與在有源材料中的光能的部分的比率。示例性實(shí)施例涉及激 光器，例如，用于支撐此類激光工藝的系統(tǒng)、器件產(chǎn)品等，以及涉及用于制造它們的方法。
[0024] 因此，示例性實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)高Q的分離功能的半導(dǎo)體激光器（高QSFL)，其特征 在于在相位干涉方面比高品質(zhì)常規(guī)DFB激光器具有一個數(shù)量級的改善。例如，本發(fā)明的實(shí) 施例是利用在1. 55微米（μm)的常用光通信波長下具有18千赫（kHz)的頻譜線寬的高Q SFL來實(shí)現(xiàn)。
[0025] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例是使用光學(xué)相位和/或正交幅度調(diào)制以在復(fù)2D相位平面 上編碼信息來實(shí)現(xiàn)的。因此，使用光學(xué)相位/正交幅度調(diào)制（PQAM)可消除DWDM。
[0026] 示例實(shí)現(xiàn)可在接收器處使用相干檢測（CD)來恢復(fù)因此在發(fā)射器處編碼的光信號 的全域，包括信號的幅度和相位。相干檢測允許本發(fā)明的實(shí)施例使用數(shù)字信號處理（DSP) 技術(shù)來校正或補(bǔ)償光纖誘發(fā)的光學(xué)損傷，諸如色散和偏振模色散。因此，示例實(shí)現(xiàn)可優(yōu)于通 常使用的直接檢測方法的能力。
[0027] 附圖簡述
[0028] 下面關(guān)于高相干性半導(dǎo)體光源描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。下面的描述涉及以 下附圖，其構(gòu)成本申請的說明書的一部分的。在附圖中：
[0029] 圖1示出的是表示各種頻譜效率的調(diào)制方案的示例星座圖；
[0030] 圖2根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了在調(diào)相中的噪聲影響的示例；
[0031] 圖3根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性自發(fā)發(fā)射事件的相量表示；
[0032] 圖4根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了第一示例性混合Si/111-V族激光器的示意性橫 截面；
[0033] 圖5根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性高Q光子諧振器的頂視圖；
[0034] 圖6根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了第二示例性混合Si/111-V族激光器的示意性橫 截面；
[0035] 圖7A和圖7B示出了量子噪聲對線寬的影響的表示；
[0036] 圖8A根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例不出了第一不例性熱耗散配置；
[0037] 圖8B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了第二示例性熱耗散配置；
[0038] 圖9根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了用于示例性制造工藝的流程圖；
[0039] 圖10根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性高QSFL器件的橫截面；
[0040] 圖11A根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性高QSFL器件的透視；
[0041] 圖11B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了高QSFL器件的示例性光柵部件；
[0042] 圖12A根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性光柵部件的幾何形狀的頂視圖；
[0043] 圖12B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了針對與其有關(guān)的所模擬的傳輸頻譜所繪制的 示例性高Q混合諧振器的空間能帶結(jié)構(gòu)；
[0044] 圖12C根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性局部晶胞的色散圖；
[0045] 圖12D根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了關(guān)于示例性高Q混合諧振器的縱向場所模擬的 強(qiáng)度分布；
[0046] 圖12E根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性高Q混合諧振器的縱向場的傅立葉分量 的幅度分布；
[0047] 圖12F根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了關(guān)于示例性高QSFL所模擬的發(fā)射頻譜；
[0048] 圖13A根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了針對在各種操作溫度下栗電流所繪制 的光功率；
[0049] 圖13B根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例示出了針對在各種操作溫度下栗電流所繪制 的光（光功率輸出）；
[0050] 圖13C根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了在給定栗電流和在一定溫度下示例性高QSFL 的光學(xué)頻譜；
[0051] 圖13D根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了在給定驅(qū)動電流和一定溫度下各種光柵周期 的示例性高QSFL的光學(xué)頻譜；
[0052] 圖14根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了示例性高QSFL的頻率噪聲譜；
[0053]圖15A根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了作為從閾值偏置的栗電流的函數(shù)的示例性高Q SFL的肖洛-湯斯線寬；
[0054]圖15B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了作為肖洛-湯斯線寬各自的發(fā)射波長的函數(shù)的 肖洛-湯斯線寬的分布，例如在若干獨(dú)立的半導(dǎo)體芯片上制造的多個激光棒上實(shí)現(xiàn)的示例 性高QSFL器件；
[0055] 圖16A示出了傳統(tǒng)激光器的典型的模態(tài)能量分布；以及，
[0056] 圖16B根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出了關(guān)于激光器的示例性模態(tài)能量分布；
[0057] 除非且除特別說明外，否則沒有比例應(yīng)用于這些附圖中，如參考在附圖（圖）7A中 所示的垂直軸和水平軸等。
[0058] 詳細(xì)描述
[0059] 激光諧振器在本文中是關(guān)于示例性高相干性半導(dǎo)體光源進(jìn)行描述的。示例性實(shí)施 例是關(guān)于高Q分離功能混合激光器進(jìn)行描述的。在以下描述中，為了解釋的目的，闡述許多 具體細(xì)節(jié)，以便提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒 有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)行。在其它情況下，眾所周知的結(jié)構(gòu)和器件沒有在詳盡的細(xì)節(jié) 上進(jìn)行描述，以便避免不必要地混淆、阻礙、模糊或阻塞本發(fā)明的實(shí)施例的各個方面。
[0060] 綜述
[0061] 激光諧振器包括放大與諧振器的光學(xué)增益相關(guān)聯(lián)的光的有源材料，和鄰近有源材 料設(shè)置的無源材料。諧振器在一個或多個光學(xué)模式中振蕩，所述一個或多個光學(xué)模式中的 每個對應(yīng)于特定空間能量分布和諧振頻率?；跓o源材料的特性，對于對應(yīng)于光學(xué)模式中 的至少一個的特定空間能量分布，光能的優(yōu)勢部分遠(yuǎn)離有源材料進(jìn)行分布。無源材料可包 括存儲遠(yuǎn)離有源材料分布的優(yōu)勢光能部分的低損耗材料，和設(shè)置在低損耗材料和有源材料 之間的緩沖材料，其控制存儲在低損耗材料中的光能與在有源材料中的光能的部分的比 率。
[0062] 光學(xué)相位/ |H奪幅度調(diào)制
[0063] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例是使用光學(xué)相位和/或正交幅度調(diào)制以在復(fù)2D相位平面 上編碼信息來實(shí)現(xiàn)的。使用光學(xué)相位/正交幅度調(diào)制（PQAM)可消除常規(guī)DWDM方法（或可 與常規(guī)DWDM方法結(jié)合），并且允許在相干通信和其它應(yīng)用中使用示例性實(shí)施例。圖1示出 表示各種頻譜效率的調(diào)制方案的示例性星座圖。
[0064] 在光學(xué)載波的相位僅對照于其幅度方面編碼信息，允許在頻譜效率（比特/Hz)方 面的增加，并且因此，允許更有效地利用可用頻譜。例如，根據(jù)光信號的強(qiáng)度調(diào)制光信號允 許每個幅度值，例如，'開'或'關(guān)'，以分別僅表示單個數(shù)據(jù)位，例如，' 〇'或' 1'。
[0065] 更有些頻譜效率可以使用QPSK(正交相移鍵控）和8-PSK調(diào)制模式來實(shí)現(xiàn)， QPSK(正交相移鍵控）和8-PSK調(diào)制模式分別允許設(shè)置在復(fù)平面上的每個符號表示兩 個⑵符號（例如，00、01、10、11)，和三個（3)符號（例如，000、001、010、000等）。在 16-QAM(正交幅度調(diào)制）方案中，每個脈沖可以傳輸四（4)比特，這表示在給定調(diào)制（波特） 速率下經(jīng)常規(guī)強(qiáng)度調(diào)制的帶寬的四倍。
[0066] 商業(yè)通信鏈路現(xiàn)在可基于雙偏振、正交相移鍵控（DP-QPSK)在每信道100Gb/S的 數(shù)據(jù)速率下操作，并且具有400Gb/s的線的"下一代"線現(xiàn)在正在開發(fā)中。本發(fā)明的示例性 實(shí)施例可以使用更高水平的調(diào)制格式（例如16、64、256-QAM)來實(shí)現(xiàn)。與使用DWDM技術(shù)相 結(jié)合，示例性實(shí)施例可以用于提供Tb/s的規(guī)模網(wǎng)絡(luò)帶寬。
[0067] 提高激光源的頻譜純度允許它們使用較高復(fù)雜性的更有效的相位星座來傳輸信 息。然而，自發(fā)發(fā)射和其它此類量子噪聲的影響可散射、擴(kuò)散或涂抹（smear)基于相位的信 號信息。此類固有的相位噪聲特性導(dǎo)致利用其傳輸?shù)姆柕南辔坏臄U(kuò)散。圖2示出了在相 位調(diào)制方面的噪聲影響的示例。如圖