高速激光设备制造技术

本发明专利技术涉及一种使用在光学模块中的激光设备。该激光设备包括：第一反射器和第二反射器；适用于将电流限制在电流限制孔内的限制层；和在第一和第二反射器之间的激活层。所述激活层包括：与所述电流限制孔对齐的主激活区域和围绕该主激活区域的辅助激活区域。所述第二反射器包括：配置在所述电流限制孔上的第一反射器区域和围绕所述第一反射器区域的第二反射器区域。所述第二反射器区域和第一反射器构造成引起所述辅助激活区域中的受激复合。

【技术实现步骤摘要】
高速激光设备
本专利技术涉及一种用于高速光纤通信系统的激光设备（lasingdevice），更具体地，涉及一种具有高调制带宽的垂直腔面发射激光器（VCSEL）。而且本专利技术涉及包括具有高调制带宽的激光设备的光互连。最后，本专利技术涉及用于制造高速激光设备的方法。
技术介绍
在高速通信系统中通常使用的激光设备特别是垂直腔面发射激光器，包括夹置在两个高反射镜或反射器之间以便形成谐振器的腔。所述镜包括若干个交替的、具有高折射率和低折射率并且掺杂有p型和n型掺杂物或杂质以便分别形成p-n或p-i-n二极管结的半导体层。在半导体激光器中，产生激光的增益机构借由空穴和电子的复合（recombination）所产生的光而提供。复合的空穴和电子分别从二极管结的p侧和n侧注入。在电信应用中，载流子的复合通过电泵浦即通过前向偏置二极管结而产生。通常，通过将离子植入到除激光设备上的孔以外的激光设备结构各处以增大该孔周围的材料的电阻率，从而将激光设备中的电流限制到激光器的孔（aperture）。或者，可通过将激光设备的孔周围的材料氧化，从而禁止激光设备的孔周围的电流。在电信应用中采用半导体激光器以建立用于电子设备中的光互连。这种光互连由于它们比传统缆线互连支持高得多的带宽的能力，因而近年来在电子设备中使用变得广泛。在此上下文中，用于将光信号转换成电信号以及相反转换的光学模块的开发在广泛的应用中起着至关重要的作用，例如采用光互连的中间板（mid-board）应用。半导体激光器例如VCSEL，通常根据两种方案传送信息。在第一种方案中，激光器维持在恒定光发射状态，并且输出强度借助于由外部施加的电压所驱动的外部调制器而得到调制。因为此第一方案要求昂贵的外部装备，所以包括VCSEL的光互连是大体直接调制的。直接调制涉及改变激光器的电流输入，或者，换句话说，在偏置电流附近调制电流以便在光强中产生时间相关的输出。通常，所述电流在大于该设备的阈电流的两个值之间切换。图7示出根据现有技术的一种激光设备4000。该激光设备包括半导体材料制成的衬底4030、第一镜4300和第二镜4100。该第一和第二镜4300和4100分别包括交替的半导体镜层4310，4320的叠层。所述层4310具有高折射率，而层4320具有低折射率。所述第一镜4300掺杂有n型掺杂物，而第二镜4100掺杂有p型掺杂物。该激光设备4000还包括在第一和第二镜4300，4100之间的腔分隔器4200。该腔分隔器4200包括第一覆层4230和第二覆层4210以及激活层4220。最后，该激光设备4000包括限定电流限制孔4021的电流限制区域4020。该电流限制区域形成在第二覆层4210中紧接第二镜4100下方。图8是示出图7的激光设备4000的工作原理的示意图。具体地，图8示出直接调制对激光设备4000的激活层中的载流子密度的影响。该电流在大于该设备的阈电流的两个值之间切换。在激光设备4000中，载流子密度不是被完全地箝制（clamp），而是由于光场强度方面的增益饱和度以及内部发热引起的增益减小而随注射电流摆动。图8示出沿激活层4220的光场的强度的分布。如由虚线绘图可见，光场的强度在对应于电流限制孔4021的激活层的区间中最大。该光场强度大体在周边较低，并且在激活区域的中央处较高。而且，在该激活层的周边区域中，光损失也比在该激活层的中央处较高。这导致在该激活层的周边较低的受激复合速率。当从高电流水平切换到较低电流水平时，激活层4220中的载流子密度也将从高水平切换到较低水平。如由图8可见，在阈以上的特定偏置电流时，激活层4220中的载流子密度分布由点曲线（3）示出。激活层4220的区间A指示光增益达到阈值的区域。在区间A之外，载流子密度不足以使产生的增益达到阈值。另外，在区间A内，载流子密度不是恒定的，而是在局部温度和/或局部光子密度较高之处较大。图8示出一种特定情况，其中载流子密度向孔的中心增大。在较高的偏置电流时，激活层4220中的温度和光子密度都增大。结果，区间A中的载流子密度也将增大以将增益维持在阈值。在较高的偏置电流时，围绕区间A的区域中的载流子密度也将增大并且将变得足够高以在围绕区间A的区间B中产生达到阈值的增益。这种表现由虚线曲线（1）示出。结果，载流子和光子经由受激复合而强烈结合的激光器的激活区域将从处于较低偏置时的区间A扩展到处于较高偏置电流时的区间A和B。当从高偏置切换到低偏置时，因为光场强度越高的区域中受激复合越强，所以激活层的区间A中的载流子密度比激活层4220的区间B中的密度以快得多的速率减小。因此，载流子密度将在激活层4220的周边具有两个峰值，如实线（2）所示。激活层4220的区间B中的这些过剩载流子将作为贮存器，来自该贮存器的载流子将从周边流向激活层4220的中央，由此用作与激光器的激活层平行连接的电容。这延长了激光设备4000的下降时间并且对它对于调制信号的响应有负面影响。因而，普通激光设备的设计限制运用该激光设备的光互连的高速性能和调制带宽。更确切地，因为在所述高到低转变期间，激光器4000向更低载流子密度和减小的受激复合速率演变，所以激光器4000在适应新的更低的电流水平方面减慢，由此增强了所述激活层的周边的过剩载流子密度对延长下降时间的影响。即使在施加电流波形之后光场强度恢复到它的名义值，该载流子密度将不会恢复，由此导致从过去到将来的一种动态耦合而造成例如码间干涉（inter-symbolinterference）。另外，在通过使用绝缘氧化层4020而获得电流限制的设备中，与限定该电流限制孔的绝缘氧化物相关联的有效寄生电容由横跨氧化层4020并与该氧化层底下的二极管结的电容串联的电容限定。如果该二极管是未偏置的，则该有效电容由与所述二极管的耗竭电容串联的氧化层电容给定，所述耗竭电容是所述两者中的最低者。在前向偏置下，所述二极管的电容将增大，而它的串联电阻将减小，从而导致所述结构的有效电容的总体增大。最大电容仅由氧化物电容限制，所述氧化物电容是相对较大的。从形成在氧化层4020中的孔散播出的侧向载流子可能是显著的并且处于稳态，这将导致漏电流。该侧向载流子散播也将对绝缘氧化物4020底下的二极管结构的外部区域提供一定程度的前向偏置，由此导致该设备的有效寄生电容随偏置增大。上述效应还限制所述激光设备的调制速度以及调制带宽。为了克服与普通激光设备的直接调制相关联的问题，人们已提出多种解决方案以减小向激活层的周边散播出的载流子的影响。具体地，对激活区域内部载流子密度的箝制可经由减小的增益饱和度以及内部发热而得到改善。或者，可采用质子植入或图案化（patterned）隧道结技术来附加地限制所述载流子以减小在激活层周边的载流子密度。然而，已知的技术具有的缺点是，所述附加的限制仅在该载流子限制特征的侧向几何形状与光场的横向分布相匹配的情况下是有效的。开发具有以上所提及设计的设备要求大量的设计工作并且实现起来非常复杂和昂贵。
技术实现思路
因此，本专利技术的基本问题是提供一种用于直接调制式高速光纤通信系统的激光设备，该激光设备可在高调制速度下被驱动，该激光设备具有减小的有效寄生电容，并且该激光设备可以特别简单且成本有效的方式制造并且同时允许实现一种更快的且更可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用在光互连中的激光设备（1000，2000，3000），该激光设备包括：第一反射器（1300，2300，3300）和第二反射器（1100，2100，3100）；限制层（1020，2020，3020），所述限制层（1020，2020，3020）适用于将电流限制在电流限制孔（1021，2021，3021）内；所述第一和第二反射器之间的激活层（1220，2220，3220），所述激活层包括与所述电流限制孔（1021，2021，3021）对齐的主激活区域（3221）和围绕该主激活区域（3221）的辅助激活区域（3222）；其中，所述第二反射器（1100，2100，3100）包括：配置在所述电流限制孔（1021，2021，3021）上的第一反射器区域（1140，2140，3140）和围绕所述第一镜区域（1140，2140，3140）的第二反射器区域（1130，2130，3130）；并且其中，所述第二反射器区域（1130，2130，3130）和第一反射器（1300，2300，3300），构造成引起所述辅助激活区域（3222）中的受激复合。

【技术特征摘要】
2011.06.06 EP 11168808.11.一种使用在光互连中的激光设备(1000，2000，3000)，该激光设备包括：第一反射器(1300，2300，3300)和第二反射器(1100，2100，3100)；限制层(1020，2020，3020)，所述限制层(1020，2020，3020)适用于将电流限制在电流限制孔(1021，2021，3021)内；所述第一和第二反射器之间的激活层(1220，2220，3220)，所述激活层包括与所述电流限制孔(1021，2021，3021)对齐的主激活区域(3221)和围绕该主激活区域(3221)的辅助激活区域(3222)；其中，所述限制层位于所述激活层和所述第二反射器之间，所述第二反射器(1100，2100，3100)包括：配置在所述电流限制孔(1021，2021，3021)上的第一反射器区域(1140，2140，3140)和围绕所述第一反射器区域(1140，2140，3140)的第二反射器区域(1130，2130，3130)；其中，所述第一反射器区域(1140，2140，3140)、主激活区域(3221)和第一反射器(1300，2300，3300)限定主激光器(1400，2400，3400)，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)、辅助激活区域(3222)和第一反射器(1300，2300，3300)限定辅助激光器(1500，1500，3500)；其中，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)和第一反射器(1300，2300，3300)，构造成引起所述辅助激活区域(3222)中的受激复合；并且其中，所述第二反射器区域(1130，2130，3130)的反射系数高于第一反射器区域(1140，2140，3140)的反射系数。2.如权利要求1所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器区域(1130，2130，3130)与所述电流限制孔(1021，2021，3021)对齐，并且所述第一反射器区域(1130，2130，3130)的面积大于所述电流限制孔(1021，2021，3021)的面积。3.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，第一反射器区域(1130，2130，3130)的面积与所述电流限制孔(1021，2021，3021)的面积之间的比率S1/S0在从1.0至3.3的范围中。4.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器(1300，2300，3300)和第二反射器(1100，2100，3100)分别至少包括：具有高折射率的一个反射器层(1310，2310，3310)和具有低折射率的一个反射器层(1320，2320，3320)。5.如权利要求3所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第一反射器的层在所述第二反射器区域中较厚。6.如权利要求5所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第二反射器(3100)的最顶部反射器层(3110)的厚度在第二反射器区域(3130)中为四分之一波长的奇数倍，在第一反射器区域(3140)中为零或四分之一波长的偶数倍。7.如权利要求1或2所述的激光设备(1000，2000，3000)，其中，所述第二反射器(1100，2100)包括配置在所述第二反射器区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：NP奇蒂卡，
申请(专利权)人：泰科电子瑞典控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：