垂直集成电吸收调制激光器和制造方法技术

本发明专利技术公开了单片集成电吸收调制激光器(EML)和制造方法。用于分布反馈(DFB)激光器、电吸收调制器(EAM)和无源输出波导的垂直堆叠波导垂直集成，所述DFB激光器、EAM和输出波导使用横向锥形垂直光学耦合器进行光学耦合。使用横向锥形垂直光耦合器的垂直集成为激光器和EAM的传统对接耦合提供了替代方案，有可能在延长寿命的情况下提高高功率运行的可靠性。可选地，所述EML包括单片集成电子电路，例如所述DFB激光器和EAM的驱动和控制电子设备。有利的是，集成EAM驱动和控制电路包括高速电光控制回路，用于非常高速的线性化和温度补偿，例如，为模拟光数据中心互连应用启用先进的调制方案，如PAM

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】垂直集成电吸收调制激光器和制造方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2019年11月18日提交的标题为“垂直集成电吸收调制激光器和制造方法(Vertically Integrated Electro
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Absorption Modulated Lasers and Methods of Fabrication)”的美国临时专利申请第62/936,629号的优先权，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。本申请涉及2019年12月10日提交的标题为“带线性化和温度补偿集成控制回路的电吸收调制器(Electro
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Absorption Modulator with Integrated Control Loop for Linearization and Temperature Compensation)”的美国专利申请第16/708,887号，所述美国专利申请是2019年1月31日提交的标题为“电吸收调制器线性化和温度补偿的集成控制回路(Integrated Control Loop for Linearization and Temperature Compensation of an Electro
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Absorption Modulator)”的美国专利申请第16/263,169号的一部分，其要求2018年2月1日提交的美国临时专利申请第62/625,311号的优先权，标题相同；所述申请以全文引用的方式并入本文中。


[0002]本专利技术涉及集成光子学、基于III
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V化合物半导体材料的光子集成电路(PIC)领域，尤其涉及集成电吸收调制激光器(EML)，用于高速光数据中心互连和下一代千兆无源光网络(GPON)等应用。

技术介绍

[0003]对于能够进行高性能调制的高速光发射机和接收机的需求越来越大，适用于大于100Gb/s的数据中心互连和下一代(GPON)应用。目前，一些可用的解决方案没有针对>100Gb/s的互连进行优化，和/或存在性能和可靠性问题。
[0004]在光纤领域，电吸收调制器(EAM)通常用作连续波激光器输出光的外部调制器。例如，EAM可与廉价的慢激光器一起用于高性能应用，即以数据速率传输，不受激光器特性的限制，而是受EAM特性的限制。激光器和EAM的组合称为电吸收调制激光器(EML)。
[0005]传统的EML组件可由分立组件制成，即单独制造的DFB激光芯片和EAM芯片，其可包含不同的半导体材料。激光器和EAM对接在一个共同的衬底上，需要冷却，例如使用热电冷却器(TEC)进行背面冷却。例如，可通过直接熔合DFB激光器和EAM的小平面，或用密封剂或粘合材料粘合小平面来实现耦合。然而，在这些类型结构的EML组件中，DFB激光器和EAM组件之间的界面区域，尤其是当由具有不同晶体成分的半导体材料制成时，是一个高应力和应变区域，例如，由于晶格失配、不同的温度膨胀系数(CTE)，以及其它固有的不同特性，作为操作条件的函数。因此，这些EML组件通常具有非常窄的工作温度范围，例如约1C，即使在冷却时也是如此。据报道，对于一些EML组件，可靠运行时间限制在2000小时左右，故障可能发生在3000小时以下。
[0006]原则上，具有不同波导核心区域和功能的光波导器件的单片集成可以通过以下方式之一实现：
a)直接对接耦合：通过选择性区域蚀刻和再生长的多个外延生长步骤，为每个波导器件提供所需的半导体层，这些半导体层通过PIC芯片上的公共水平光学平面横向耦合；b)改进的对接耦合：单外延层堆叠的生长，具有选择性区域的生长后修改形成区域到每个波导器件，这些区域通过as PIC芯片上的公共水平光学平面横向耦合；和c)倏逝场耦合：外延层堆叠限定了通过共振或非共振倏逝场耦合进行垂直耦合的垂直堆叠波导器件。
[0007]举例来说，使用直接或改进对接耦合的单片集成EML的设备结构描述如下：Krasulick等人于2006年10月10日获得的美国专利第7,120,183号，标题为“具有高工作温度耐受性的电吸收调制激光器”；Makino于2010年10月5日获得的美国专利第7,809,038号，标题为“电吸收调制器与激光集成，以生产具有优化参数的远距离低功率1550nm光学器件”；于2009年1月13日发布的美国专利度7,476,558号，标题为“选择性区域生长叠层电吸收调制激光结构的制造方法”；于2009年1月13日发布的美国专利第7,476,558号，标题为“选择性区域生长叠层电吸收调制激光结构的制造方法”；Agresti于2010年11月18日发布的美国专利公开案第US2010/0290489号，标题为“在EML组件的分布反馈DFB的前部具有％波长相移的电吸收调制激光器(EML)组件，以及一种方法；Moehrle于2018年5月24日发布的PCT国际专利公开案第WO2018/091094A1号，标题为“制造和电吸收调制激光器和电吸收调制激光器的方法”。
[0008]基于非共振倏逝场垂直耦合的多波导垂直集成(MGVI)结构的制造描述如下：Tolstikhin于2013年12月19日公开的PCT国际专利公开案第WO2013/185218A1号，标题为“空间波分复用发射器和接收器光子集成电路”。
[0009]迄今为止，在EAM的大多数应用中，调制器和驱动调制器的电子设备是安装在公共衬底上的独立芯片，并通过匹配的阻抗带线电路互连。在通常使用EAM的速度下，需要匹配的阻抗驱动电路，除非互连长度远小于波长。常用的封装方法不能满足这一要求，需要匹配的阻抗互连。然而，使用匹配阻抗带状线会导致显著的功率损失，即由于匹配阻抗而导致驱动电压的一半损失。对于典型的EAM驱动电压(约为2伏)和50欧姆的阻抗，由于阻抗较低，驱动功率相当高。为了减少功率损耗和提高性能，需要替代解决方案，消除对匹配阻抗带状线的需求。
[0010]另一个问题是EAM是非线性的，与温度和波长有关。因此，它们通常用于光的调制为简单的开关调制的应用中。用于高性能应用(如光数据中心互连)的模拟调制方案使用其它类型的调制器，如马赫
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曾德尔(MZ)调制器。MZ调制器通常更大、成本更高，需要数字信号处理器(DSP)或其它方法来补偿其正弦调制功能。在使用EAM进行调制的情况下，已知需要对每个设备进行简单的手动调谐，以选择最线性的操作区域。高性能调制，例如PAM4，可能无法通过目前可用的低成本发射器，以及离散的驱动和控制电子设备来实现。
[0011]在某些应用中，目前可用的直接调制或EML激光器不能为长距离光互连提供足够的光输出功率，这就需要使用更灵敏的雪崩光电二极管探测器，其价格昂贵且长期可靠性较差。需要更高功率的输出激光器，以允许使用由低成本、可靠的PIN二极管探测器组成的
接收器。
[0012]因此，需要改进EAM和单片集成EML，以解决上述性能、输出功率、可靠性、线性化和温度补偿等问题中的至少一个。例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种单片集成电吸收调制激光器(EML)，包括：衬底；外延层结构，包括生长在所述衬底上的多个半导体层；所述外延层结构限定了多个垂直堆叠的光波导，其中：第一级波导包括结构为输出波导的层；第二级波导包括结构为EAM波导的层；第三级波导包括结构为DFB激光波导的层；所述第三级波导的层被图案化以限定激光台面，包括具有表面蚀刻光栅(SEG)的DFB激光腔和从所述激光腔的光学输出延伸的第一横向锥形垂直光耦合器；所述第二级波导的层被图案化以限定所述EAM的台面，以及从所述EAM的光输出延伸的第二横向锥形垂直光耦合器；所述第一级波导的层被图案化以提供输出波导；所述DFB激光腔沿光传播方向与所述EAM横向隔开，所述第一横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自所述DFB激光器的发射光模式耦合到所述EAM的输入；和所述第二横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自所述EAM的调制输出垂直耦合到输出波导；以及所述DFB激光器和所述EAM的电气连接，用于在CW模式下操作所述DFB激光器并驱动所述EAM。2.根据权利要求1所述的集成EML，还包括无源波导，所述无源波导垂直布置在所述第一级波导下，并图案化以形成光斑大小转换器(SSC)；所述第一级波导包括第三横向锥形垂直光耦合器，所述第三横向锥形垂直光耦合器构造成将来自所述输出波导的光输出耦合到所述SSC以耦合到单模光纤。3.根据权利要求1和2中任一项所述的集成EML，其中，所述外延层结构包括多个用于电子电路的半导体层，位于所述多个垂直堆叠的光波导的下方，用于电子电路的半导体层通过至少一个间隔件与所述多个垂直堆叠的光波导垂直分离；所述光学组件包括所述DFB激光器、EAM波导、输出波导和形成在所述衬底的第一区域上的所述横向锥形垂直光学耦合器；电子电路形成在所述衬底的第二区域上，与所述第一区域相邻，其中包括至少一个间隔件和所有覆盖层的外延层堆叠的半导体层已被移除；且互连金属化在所述DFB激光器和EAM的电子电路和电气连接之间提供电气互连，用于操作所述DFB激光器和驱动所述EAM。4.根据权利要求3所述的集成EML，其中所述电子电路包括用于线性化和温度补偿的EAM驱动和控制电路，包括以下中的一项：用于监测所述EAM光学输出的光电电流传感器和用于监测所述EAM工作温度的电温度传感器；和用于监测所述EAM光学输出的光学抽头和光电探测器和用于监测所述EAM工作温度的电温度传感器。5.根据权利要求3所述的集成EML，其中所述电子电路包括EAM驱动和控制电路，以及
所述EAM具有用于施加偏置电压以操作EAM的第一和第二电端子，以及用于接收输入模拟调制信号的电控制端子，所述输入模拟调制信号通过所述控制电路馈送至EAM的驱动电路的驱动晶体管；其中，所述控制电路包括：第一感测装置，用于检测所述EAM的温度，并根据所述EAM的温度生成第一反馈信号；第一控制回路元件，用于组合第一反馈信号和输入模拟调制信号，以提供温度补偿调制信号；第二感测装置，用于检测EAM的输出电平并生成依赖于EAM的输出电平的第二反馈信号，以及用于组合第二反馈信号和温度补偿调制信号以提供线性化调制信号的第二控制回路元件。6.根据权利要求5所述的集成EML，其中用于检测电吸收调制器温度的所述第一感测装置包括一个放置所述EAM附近的电温度传感器，用于组合的第一控制回路元件包括一个用于添加第一反馈信号的耦合器，输入模拟调制信号，以提供温度补偿调制信号。7.根据权利要求5或6所述的集成EML，其中所述第一反馈信号包括依赖于温度的偏移偏置。8.根据权利要求5至7中任一项所述的集成EML，其中所述第二感测装置包括用于检测所述电吸收调制器的光电流并生成所述第二反馈信号的电气部件；或其中，所述第二感测装置包括电光组件，所述电光组件包括用于对电吸收调制器的光输出进行采样的光学抽头、用于产生所述第二反馈信号的光电探测器和跨阻放大器。9.根据权利要求5至8中任一项所述的集成EML，其中用于组合所述第二反馈信号和所述温度补偿调制信号的所述第二控制回路元件包括差分放大器，所述温度补偿调制信号被输入到所述差分放大器的非反相输入端，所述第二反馈信号被输入到所述差分放大器的反相输入端，以从所述两个信号之间的差产生误差电压，所述误差电压被馈送到所述驱动器。10.根据权利要求5至9中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈德蒙，
申请(专利权)人：电光IC股份有限公司，
类型：发明
国别省市：