用于垂直腔表面发射激光器的强度噪声消减制造技术

用于垂直腔表面发射激光器的强度噪声消减。一种VCSEL设备，该设备包括基板和布置在基板上的第一DBR结构。该VCSEL设备还包括布置在第一DBR结构的顶表面上的阴极触点。另外，该VCSEL设备包括布置在第一DBR结构的顶表面上的VCSEL台面。该VCSEL台面包括量子阱、布置在量子阱上方的非圆形氧化物口径区域、和布置在非圆形氧化物口径区域上方的第二DBR结构。另外，该VCSEL台面包括布置在第二DBR结构上方的选择性偏振结构和布置在选择性偏振结构上方的阳极触点。

【技术实现步骤摘要】
用于垂直腔表面发射激光器的强度噪声消减
技术介绍
由于对用于高性能计算机(HPC)和数据中心的低功率、高带宽的光互连的稳定需求，诸如四级脉冲幅度调制(PAM-4)之类的先进调制方案已被探讨过。另外，垂直腔表面发射激光器(VCSELs)正在PAM-4光收发器中使用。改善与VCSEL设备相关联的信噪比的努力已被导向降低归因于本征噪声、模式竞争噪声、和模式拍频噪声(modebeatingnoise)的光学噪声。附图说明当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开。要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘出。实际上，为了讨论的清楚起见，各种特征的尺寸可以任意地增加或减小。图1是根据本公开的一个或多个实施方式的底部发射VCSEL设备的截面图。图2是根据本公开的一个或多个实施方式的顶部发射VCSEL设备的截面图。图3是根据本公开的一个或多个实施方式的图1所示出的底部发射VCSEL设备的VCSEL台面的一部分的俯视图。图4A绘出了根据本公开的一个或多个实施方式的具有各种椭圆率和取向的示例椭圆形氧化物口径区域。图4B绘出了相对于布置在晶体结构上的示例晶体平面的椭圆形氧化物口径区域。图5是根据本公开的一个或多个实施方式的用于降低归因于互补偏振光模式的噪声而实施的两个正交光栅的俯视图。图6是根据本公开的一个或多个实施方式的绘出VCSEL设备的光谱的模式频率图，该VCSEL设备具有椭圆率为1.07的氧化物口径区域。图7A是根据本公开的一个或多个实施方式的绘出VCSEL设备的光谱的模式频率图，该VCSEL设备具有椭圆率为1.30的氧化物口径区域。图7B是绘出了图7A的没有互补偏振光模式的光谱的模式频率图。图8是绘出了与具有椭圆率为1.07的氧化物口径区域的VCSEL设备和与具有椭圆率为1.30的氧化物口径区域的VCSEL设备相关联的电频谱的图。图9是根据本公开的一个或多个实施方式的实施波分复用的底部发射VCSEL传输系统的示意框图。图10是根据本公开的一个或多个实施方式的接收器系统的示意图。图11是根据本公开的一个或多个实施方式的实施波分复用的底部发射VCSEL传输系统的另一个示意框图。具体实施方式现在将公开下面要求保护的主题的说明性示例。为了清楚起见，在本说明书中未描述实际实施方式的所有特征。要理解的是，在任何这种实际实施方式的研发过程中，可以做出许多特定于实施方式的决定来实现研发者的特定目标，例如符合与系统相关和与商业相关的限制，这将因实施方式的不同而变化。此外，要理解的是，这种研发工作即使是复杂且费时的，对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说将是例行工作。VCSEL设备是一种具有垂直于半导体基板取向的光学腔的半导体激光器。VCSEL设备可以从顶表面或底表面发射光(例如激光束)，从而能够进行简单的晶圆级测试。VCSEL设备可以在高于50-100Gbps的频率下调制，并且对于高速通信和精密感测应用是有用的。特别是顶部发射VCSEL设备通常用于产生具有850nm至940nm之间波长的光。例如，可以由顶部发射CWDM系统使用850nm、880nm、910nm和940nm波长的光来传输四色粗波分复用(CWDM)信号。而且，可以采用底部发射VCSEL设备来发出具有在990nm至1065nm之间的波长的光。例如，可以由底部发射CWDM系统使用990nm、1015nm、1040nm和1065nm波长的光来传输光信号。改善VCSEL设备的信噪比的努力包括降低与这些设备相关联的光学噪声。光学噪声可以被表示为相对强度噪声(RIN)，其可以包括本征噪声、模式竞争噪声、模式拍频噪声等。特别是模式拍频噪声通常发生在VCSEL设备中。本文中将模式拍频噪声定义为光电子学中的现象，其在任意两个光模式之间的频率差落入接收器设备的电带宽内时发生。模式拍频噪声通常与一系列模式拍频相关联。模式拍频噪声通常包括空间模式拍频噪声和/或偏振模式拍频噪声。具有不同频率的空间光模式能够引起接收器设备的电带宽内的空间模式拍频噪声。此外，频率略有不同的偏振光模式能够引起接收器设备的电带宽内的偏振模式拍频噪声。例如，当具有不同光学频率的两个激光信号在接收器设备(例如，光电检测器)上叠加时，会发生模式拍频噪声，从而引起电流变化。在许多情况下，模式拍打会引起与所发射的光相关联的在接收器一侧表现为电噪声的光学噪声。本公开提供了包含具有各种取向的非圆形氧化物口径区域的VCSEL设备的若干示例。在一些实施方式中，本文所公开的VCSEL设备具有非对称形状的非圆形氧化物口径区域。包含非圆形氧化物口径区域可以增加相邻空间光模式之间的频率间距，从而使与模式拍打相关联的拍频高于接收器设备的带宽，从而相对于具有圆形或对称形状的氧化物口径区域的传统VCSEL设备降低了空间模式拍频噪声和偏振模式拍频噪声。此外，本文所描述的VCSEL设备可以包含降低偏振模式拍频噪声的选择性偏振结构。在一些实施方式中，选择性偏振结构通过有效地仅允许单个偏振态发出激光(例如，空间模式的锁定偏振)来显著地降低偏振模式拍频噪声。本公开所提供的VCSEL设备采用选择性偏振结构，该选择性偏振结构使光的第一偏振最大化以在氧化物口径区域中谐振并从VCSEL设备发射，并且使与光的第一偏振正交的光的第二偏振最小化而阻止其在氧化物口径区域中谐振以及从中发射。在其他实施方式中，选择性偏振结构可以被包含在VCSEL设备内、在DBR镜的顶部，该DBR镜为不希望的偏振光引入了损耗，从而显着降低了这种类型的光偏振。此处，光偏振被定义为将电场矢量或磁场矢量限制到与光传播方向垂直的给定平面。例如，如果电场基本上垂直，则辐射基本上垂直偏振，而如果电场基本上水平，则辐射基本上水平偏振。VCSEL设备可以被包含在基于VCSEL的光电子传输系统(本文中指代为VCSEL传输系统)内。这种VCSEL传输系统可以包括但不限于光收发器或其他光学模块。在一些实施方式中，VCSEL传输系统包括发射器，该发射器包括多个VCSEL端子，该多个VCSEL端子具有各种取向的非圆形氧化物口径区域和选择性偏振结构以降低VCSEL噪声。在一些实施方式中，每个VCSEL端子包括基板(例如，砷化镓)、布置在基板上的第一DBR结构、布置在第一DBR结构的顶表面上的阴极触点、由增益介质(例如，多个量子阱和量子点)、布置在第一DBR结构的顶表面上并且与阴极触点间隔开的氧化物口径区域和第二DBR构成的VCSEL台面、以及布置在VCSEL台面的顶表面上的阳极触点。在其他实施方式中，当阴极触点和阳极触点的位置被翻转或交换时，每个VCSEL端子可以包括基板、布置在基板上的第一DBR结构、布置在第一DBR结构的顶表面上的阳极触点，和布置在第一DBR结构的顶表面上并且与阳极触点间隔开的VCSEL台面，以及布置在VCSEL台面的顶表面上的阴极触点。此处，VCSEL台面被定义为在垂直方向上从增益层堆叠表面、反射镜或基板突出的突出部。制造VCSEL台面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直腔表面发射激光器VCSEL设备，所述VCSEL设备包括：/n基板；/n布置在所述基板上的第一分布布拉格反射镜DBR结构；/n布置在所述第一DBR结构的顶表面上的阴极触点或阳极触点；/n布置在所述第一DBR结构的顶表面上的VCSEL台面，所述VCSEL台面包括：/n量子阱；/n布置在所述量子阱上方的非圆形氧化物口径区域；/n布置在所述非圆形氧化物口径区域上方的第二DBR结构；/n布置在所述第二DBR结构上方的选择性偏振结构；和/n未布置在所述第一DBR结构的顶表面上的所述阴极触点和所述阳极触点中的另一个触点，所述另一个触点被布置在所述选择性偏振结构上方。/n

【技术特征摘要】
20190127 US 16/258,6161.一种垂直腔表面发射激光器VCSEL设备，所述VCSEL设备包括：
基板；
布置在所述基板上的第一分布布拉格反射镜DBR结构；
布置在所述第一DBR结构的顶表面上的阴极触点或阳极触点；
布置在所述第一DBR结构的顶表面上的VCSEL台面，所述VCSEL台面包括：
量子阱；
布置在所述量子阱上方的非圆形氧化物口径区域；
布置在所述非圆形氧化物口径区域上方的第二DBR结构；
布置在所述第二DBR结构上方的选择性偏振结构；和
未布置在所述第一DBR结构的顶表面上的所述阴极触点和所述阳极触点中的另一个触点，所述另一个触点被布置在所述选择性偏振结构上方。


2.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，所述非圆形氧化物口径区域具有相对于所述基板的主晶体平面大约45度的第一取向。


3.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，所述非圆形氧化物口径区域基本上是椭圆形的。


4.根据权利要求3所述的VCSEL设备，其中，所述椭圆形氧化物口径区域具有大约1.05至大约1.5之间的椭圆长宽比。


5.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，所述VCSEL台面是非圆形的。


6.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，所述选择性偏振结构使具有第一偏振的光的反射率最大化以穿过所述VCSEL台面发射，并且使具有第二偏振的光的反射率最小化以阻止其穿过所述VCSEL台面发射，所述第二偏振的光与具有所述第一偏振的光正交。


7.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，穿过所述VCSEL台面发射的光具有至少一个模式组内的光模式，所述模式组具有大于约20GHz的模式频率间隔。


8.根据权利要求1所述的VCSEL设备，其中，所述非圆形氧化物口径区域是非对称形状。


9.一种垂直腔表面发射激光器VCSEL发射器设备，所述VCSEL发射器设备包括：
布置在第一基板上的第一VCSEL设备；
布置在第二基板上的第二VCSEL设备，所述第二VCSEL设备与所述第一VCSEL设备相邻，所述第一VCSEL设备和所述第二VCSEL设备各自包括：
第一分布布拉格反射镜DBR结构；
布置在所述第一DBR结构的顶表面上的阴极触点；
布置在所述第一DBR结构的所述顶表面上的VCSEL台面，所述VCSEL台面包括：
量子阱；
布置在所述量子阱上方的非圆形氧化物口径区域；
布置在所述非圆形氧化物口径区域上方的第二DBR结构；
布置在所述第二DBR结构上方的选择性偏振结构；和
布置在所述选择性偏振结构上方的阳极触点；以及
复用器，所述复用器用于复用从所述第一VCSEL设备和所述第二VCSEL设备发射的激光束。


10.根据权利要求9所述的VCSEL发射器设备，其中从所述第一VCS...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌浩，韦恩·瑟林，M·R·T·谭，S·V·马塔伊，S·张，
申请(专利权)人：慧与发展有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：美国;US