專利名稱：外腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外腔激光器，尤其是用于通訊的窄線寬激光器。
有幾種方法用于構(gòu)造窄線寬單模半導(dǎo)體激光器。實際的裝置分為兩種，即單片半導(dǎo)體裝置和外腔激光器。它們都利用頻率選擇反饋以便在整個驅(qū)動電流范圍內(nèi)實現(xiàn)單模操作。
頻率選擇反饋可以由具有外部元件或者位于半導(dǎo)體內(nèi)(即單片)的周期性結(jié)構(gòu)提供，所述周期性結(jié)構(gòu)可以采取DBR(分布式布拉格反射鏡)或者DFB(分布反饋)激光器的形成。在DBR中光柵位于有源區(qū)之外但是在單片半導(dǎo)體上，而DFB激光器中的光柵在有源區(qū)之內(nèi)。外腔激光器包括位于兩個反射鏡之間的光學(xué)增益介質(zhì)，但是并不占據(jù)兩個反射鏡之間的整個距離，一個反射鏡通常是增益介質(zhì)的后面，另一個反射鏡是可以制在光纖或波導(dǎo)中的外布拉格光柵。在前面描述的裝置中外布拉格光柵形成在單模光纖中或者氮化硅(Si3N4)或者二氧化硅(SiO2)波導(dǎo)中。
DFB激光器的主要缺點在于因為輸出波長是光柵周期和裝置的有效折射率二者的函數(shù)，輸出波長不能從硅片到硅片精確控制。因此為了在指定頻率上利用DFB激光器，必須通過測試和選擇把裝置分類到波長范圍內(nèi)，然后調(diào)整溫度以便獲得期望的波長。這種調(diào)整要求使得裝置的溫度穩(wěn)定性復(fù)雜化，因為必須包括諸如可變電阻器的元件，使得集成溫度控制器復(fù)雜。DBR激光器有類似的問題(即有效折射率變化和光柵周期變化)，還有另外的困難是由于制造誤差，兩個布拉格反射鏡的相對光柵相位變得不能預(yù)測，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，或者需要相位調(diào)整區(qū)。通常，DBR激光器比DFB更復(fù)雜，而且更難以制造。
對于用于WDM(波分復(fù)用)系統(tǒng)，DFB激光器也需要驅(qū)動-補償電路以便補償改變裝置的有效折射率的老化效應(yīng)。這樣也提高了控制電路的復(fù)雜性，所以可能損害裝置的長期可靠性。
FGL(光纖光柵激光器)是外腔激光器，主要包括具有連接到光纖上的反射后面(通常是涂HR(高反射)層)的半導(dǎo)體激光器芯片，所述光纖上面刻有波長選擇光柵，所述激光器芯片產(chǎn)生激光受涂在前面上的AR(減反射)層、斜面/波導(dǎo)或它們的組合的影響。
這樣的光柵直接利用UV光刻技術(shù)刻蝕以便在光纖上以反射選擇波長的周期結(jié)構(gòu)形成F中心(疵點)。FGL具有輸出波長不由有源區(qū)確定的優(yōu)點(與DFB激光器比較)，所以波長能夠精確地預(yù)先確定，不需要分選和溫度調(diào)節(jié)。FGL還表現(xiàn)出波長對溫度的依賴性較小，所以能夠在～30℃溫度范圍內(nèi)工作而不需要溫度補償。然而，對于DFB激光器為了實現(xiàn)相同的工作范圍(0℃-60℃)，還需要TEC(熱電冷卻器)。
FGL的主要困難在于制造。光柵刻蝕過程基本上是連續(xù)的，因此不適合于大批量生產(chǎn)。為了實現(xiàn)有源半導(dǎo)體和光纖之間很好地耦合，通常需要使用球透鏡或透鏡形光纖以便模式匹配。這樣導(dǎo)致光纖與半導(dǎo)體之間的對準(zhǔn)誤差容限很小，因此需要主動對準(zhǔn)，這是另一個不適合于批量生產(chǎn)的過程。
FGL也不適合于單個芯片與其他WDM元件集成，例如MUX(多路復(fù)用器)和DMUX(多路分用器)。
二氧化硅波導(dǎo)光柵激光器與FGL類似，只是光柵刻在二氧化硅平面波導(dǎo)上。二氧化硅波導(dǎo)光柵激光器具有與FGL類似的制造問題，即連續(xù)刻蝕過程以及由于需要控制高溫度攙雜過程的困難引起的不能預(yù)先精確選擇輸出波長的附加問題，導(dǎo)致需要進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種外腔激光器，包括第一和第二反饋裝置，在它們之間具有光學(xué)增益介質(zhì)，反饋裝置之一由形成在硅波導(dǎo)上的光柵構(gòu)成。
最好，激光器形成在硅芯片上，硅波導(dǎo)是集成在芯片上的肋型波導(dǎo)，光學(xué)增益介質(zhì)由安裝在芯片上的光學(xué)放大器提供。
光學(xué)放大器的后面最好形成另一反饋裝置。
從下面的描述和所附的權(quán)利要求將清楚地看到本發(fā)明的其他特征。
因此本發(fā)明使得能夠利用集成光學(xué)技術(shù)形成波長穩(wěn)定的外腔激光器，利用反射放大器(RA)。所述RA耦合到硅波導(dǎo)光柵上。所產(chǎn)生的裝置對現(xiàn)有技術(shù)諸如DBR或DFB的改進(jìn)在于能夠可重復(fù)地預(yù)定激光器的輸出波長。這樣不再需要溫度調(diào)節(jié)，簡化了溫度控制穩(wěn)定電路。
硅波導(dǎo)的折射率是已知的，所以在制造過程中能夠設(shè)置激光器在給定溫度的輸出波長。
而且，因為光柵與激光器的有源區(qū)分開，老化對輸出波長沒有影響，結(jié)果也不需要補償驅(qū)動電路。
這些特征的組合使得單芯片方案能夠控制溫度穩(wěn)定和激光器驅(qū)動，而且所產(chǎn)生的裝置能夠利用批量生產(chǎn)技術(shù)制造，而不象上述FGL和波導(dǎo)光柵激光器一樣。因此本發(fā)明具有上述不同現(xiàn)有技術(shù)裝置的優(yōu)點，而避免了它們的缺點。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述外腔激光器陣列。可以提供多路復(fù)用裝置以便把激光器陣列的輸出組合到單個輸出上。激光器陣列也可以使用共同的光學(xué)增益介質(zhì)和功率分配裝置以便把增益介質(zhì)的輸出分為多個信號，每個信號被傳導(dǎo)到不同的光柵。
下面將僅以舉例方式參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的外腔激光器的示意圖；圖2是形成在用于圖1所示的激光器的硅波導(dǎo)中的光柵的示意性透視圖；圖3是形成在單個芯片上的諸如圖1所述的外腔激光器陣列的示意圖；圖4是在單個芯片上提供外腔激光器陣列的另一種結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖1示出形成在S01芯片1上的外腔激光器，所述SO1芯片1包括上部透光硅層，通過絕緣層與硅基質(zhì)分開，所述絕緣層通常是二氧化硅。該裝置包括與硅波導(dǎo)3對齊的RA2，在所述硅波導(dǎo)3內(nèi)具有光柵4。
RA最好在與它的前面2A垂直的角度上包括波導(dǎo)。RA的后面2B涂有HR涂層而前面涂有AR涂層。
通過把RA的定位面支承在刻蝕在SO1芯片1上的定位槽5的定位面上，RA2被動排列在SO1芯片1上。安裝光纖元件的這一方法的更多細(xì)節(jié)在WO97/43676中給出，該專利申請的內(nèi)容包括在這里以供參考。
RA1連接到硅波導(dǎo)2上，在硅波導(dǎo)2內(nèi)形成有布拉格光柵4。布拉格光柵4有效地形成外腔激光器的前面。
NTC(負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻6位于靠近光柵4處以便感應(yīng)光柵4的溫度。熱敏電阻6向溫度補償系統(tǒng)提供輸入，該系統(tǒng)包括熱敏電阻6、控制電路(未示出)和冷卻裝置。冷卻裝置可以包括安裝在芯片下面的Peltier冷卻器以便冷卻芯片，或者至少冷卻決定輸出波長的光柵4。提供該溫度補償系統(tǒng)以便擴(kuò)展激光器的工作范圍(如同在FGL中一樣)，而不是用于調(diào)整裝置來補償制造過程中的變化。
輸出光纖7位于在SOI芯片1上各向異性刻蝕的V形槽中，以便使光纖被動地與硅波導(dǎo)3對齊。把光纖耦合到位于SOI芯片上的肋型波導(dǎo)上的方法在WO97/42534中有描述，把WO97/42534的內(nèi)容包括在這里以供參考。也可以把外腔激光器的輸出引導(dǎo)到設(shè)置在同一芯片上的其他光學(xué)器件。
設(shè)置有監(jiān)控光電二極管8以便利用波導(dǎo)耦合器9監(jiān)控外腔激光器的輸出，所述波導(dǎo)耦合器9把一部分激光輸出耦合到光電二極管8。耦合器9可以包括Y接頭或者迅衰耦合器。
圖2詳細(xì)示出形成在硅波導(dǎo)3中的光柵4。布拉格波導(dǎo)光柵形成波長選擇元件而且可以例如通過如下方式制造，即引導(dǎo)電子束記錄在形成于波導(dǎo)上的阻光涂層上，然后利用RIE(活性離子刻蝕)刻蝕圖案以便形成波導(dǎo)光柵的槽。
光柵槽最好通過肋型波導(dǎo)的高度H(其中從芯片相鄰區(qū)域的上表面測量H通常在1.4-5微米范圍內(nèi))的大約一半延伸。槽的深度D選擇為使光柵耦合即它的反射率、激光器的輸出功率和與光柵有關(guān)的光損失最佳，D最好為H的30-70％。
這樣在H為1.4-1.5微米的肋型波導(dǎo)中，D將在0.4至1.1微米范圍內(nèi)。
光柵的其他尺寸由將要選擇的波長決定，但是典型的光柵將具有周期P為200nm、50％傳號/空號比的一系列槽，即每個槽寬大約為100nm(在平行于波導(dǎo)的光軸方向)，而且與相鄰槽的間距為100nm.光柵通常在大約1至5mm的波導(dǎo)長度L上延伸。
實際中，光柵4的槽可以用其他材料例如二氧化硅填充或部分填充，但是光柵的實質(zhì)要求是提供不同折射率周期性交替的區(qū)域，以便他反射選擇波長的一部分，而且能夠使用批量生產(chǎn)技術(shù)形成。
在另一種結(jié)構(gòu)中(未示出)，光柵4可以由設(shè)置在肋型波導(dǎo)上的二氧化硅包覆層中的槽形成，代替硅肋中的槽，或者除它之外。
激光器腔的光學(xué)長度，從RA2的后面2B到光柵4的有效反射中心通常在12mm數(shù)量級。因為硅的折射率為3.5，因此腔的物理長度為12mm/3.5，即大約為3.4mm。
光纖與波導(dǎo)對齊也可以通過如同GB9809460.0(公開號)中描述的對接耦合或者能夠?qū)崿F(xiàn)波導(dǎo)與光纖芯之間對準(zhǔn)良好的任何其他適當(dāng)方法實現(xiàn)。該方法包括利用主動監(jiān)視以便優(yōu)化要求較高功率應(yīng)用的功率輸出。主動對準(zhǔn)也可以擴(kuò)展到定位RA2，其中較高功率裝置的附加價值證明制造成本和復(fù)雜性提高。對于這樣的應(yīng)用，如上所述利用前面監(jiān)視和在RA2的后面2B的100％HR涂層也能夠?qū)崿F(xiàn)較高輸出功率。
對于要求較低功率的應(yīng)用，可以使用傳統(tǒng)的后面監(jiān)視代替上述前面監(jiān)視。
可以通過利用相位干涉掩膜制造波導(dǎo)光柵來改善裝置的工藝性。這樣將使得光柵光刻在傳統(tǒng)的接觸光刻系統(tǒng)中完成，因此制造成本降低，而且能夠大批量生產(chǎn)。
也可以使用其他方法諸如離子蝕刻形成光柵4。
NTC熱敏電阻6鄰近光柵4混成在芯片上。也可以使用其他類型的混成傳感器，或者也可以使用集成在SOI芯片上的攙雜結(jié)構(gòu)?？赡芙Y(jié)構(gòu)包括鄰近形成有光柵的波導(dǎo)或者與之交叉設(shè)置的p-i-n二極管或者p-n結(jié)，它們的性能隨著溫度而變化。使用這樣的整體式傳感器降低了操作所需的裝置數(shù)目，而且能夠最優(yōu)和可重復(fù)定位溫度傳感器。
波導(dǎo)光柵4也可以設(shè)置在絕熱基質(zhì)上，諸如GB2320104A中描述的基質(zhì)一樣，通過使用加熱電阻絲和溫度傳感器光柵溫度保持在穩(wěn)定溫度上。這樣將不需要冷卻裝置來對裝置進(jìn)行冷卻，因為是光柵4的溫度決定激光器的輸出波長。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，光柵形成在硅波導(dǎo)的基本上與它的周圍絕熱的部分上。波導(dǎo)的形成有光柵的部分上可以例如形成于延伸在硅芯片上的槽上方的硅層部分上，例如以橋的形式，或者在形成于硅層的相鄰區(qū)域的相鄰溝槽之間。所述溝槽最好通過硅層(所述硅層具有相對高的導(dǎo)熱率)延伸到達(dá)所述絕緣層，但是也可以進(jìn)一步通過所述絕緣層延伸到達(dá)芯片。所述溝槽可以是形成在肋型波導(dǎo)的任何一面上的V形槽。
這樣的結(jié)構(gòu)也簡化了所需要的包裝，因為可能不需要散熱，因此低成本塑料或者陶瓷包裝就可以了。這些因素相結(jié)合導(dǎo)致材料成本大為降低，因為冷卻裝置和包裝通常占整個材料成本的很大百分比。
而且，假設(shè)電阻加熱比熱電冷卻需要較少的功率，那么使用絕熱光柵也使得溫度控制電路容易集成到激光模塊上，給系統(tǒng)帶來優(yōu)點，諸如降低控制該裝置的驅(qū)動電路的復(fù)雜性。
或者，例如上述結(jié)構(gòu)可以用于微調(diào)激光器的波長，以便精確調(diào)整很窄WDM波段的中心。
如前所述，SOI技術(shù)簡化了裝置的集成，所以使得能夠如圖3所示在單個芯片上提供激光器陣列。圖3中所示的每個激光器基本上與上面參考圖1和2所描述的激光器相同，但是每個光柵設(shè)計為反射不同的波長。SOI技術(shù)使得陣列中的每個激光器能夠利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)同時形成。連接到激光器陣列上的光纖7可以是分離的光纖或者是部分光纖帶?；蛘?，復(fù)用裝置(未示出)可以與激光器陣列集成以便把來自每個激光器的信號多路復(fù)用到單個輸出波導(dǎo)上，從而制成單光纖多通道WDM源。
通過在芯片上提供一個或多個光電二極管，如上所述的外腔激光器或者這樣的激光器陣列也可以用作發(fā)送接收器的一部分。
圖4示出陣列的另一種形式，該種形式陣列包括連接到多個光柵4的單個RA2以便利用較少數(shù)目的有源元件產(chǎn)生多通道源。為了實現(xiàn)這一目的，在RA2和光柵4之間包括色散功率分配元件10，諸如透射或反射光柵或者級聯(lián)Y接頭陣列。這樣的裝置在各個光柵4的每個布拉格波長具有單模輸出。
應(yīng)該理解為了提供上述優(yōu)點，光柵必須刻在硅波導(dǎo)上，最好是刻在SOI芯片上。理論上，裝置與光纖光柵激光器(或者使用布拉格光柵作為反饋元件的其他外腔激光器)非常相似，主要區(qū)別是使用集成硅光學(xué)元件使得能夠利用批量生產(chǎn)技術(shù)，以及把其他功能集成在單個裝置上，所述裝置具有較好的溫度控制特性。激光器的輸出波長由形成在硅波導(dǎo)上的光柵確定，所以能夠在制造裝置期間確定在給定溫度下的輸出波長，而不需要調(diào)節(jié)所述裝置，而且激光器的所有部件可以利用批量生產(chǎn)技術(shù)制造。
使用SOI技術(shù)使得與現(xiàn)有技術(shù)相比顯著地降低了制造成本，而且使得能夠大批量生產(chǎn)該裝置。SOI技術(shù)也使得能夠在裝置上重復(fù)而且精確定位被動排列有源元件。而且SOI技術(shù)允許在單個模塊上附加功能，例如附加MUX/DMUX和Rx(接收器)元件。使用SOI波導(dǎo)還使得能夠利用波導(dǎo)耦合器把輸出光的一部分耦合到監(jiān)視二極管來使用激光器的前面監(jiān)視。這樣減小了跟蹤誤差(光纖中的實際功率與從監(jiān)視二極管推斷的功率之間的差值)，而且不需要后面監(jiān)視(現(xiàn)有技術(shù)所述的所有裝置都需要后面監(jiān)視以便進(jìn)行功率監(jiān)視)。這樣使得能夠制造效率更高的激光器，因為后面上的HR涂層的反射率可以提高到100％。
權(quán)利要求
1．一種外腔激光器，包括第一和第二反饋裝置，在它們之間具有光學(xué)增益介質(zhì)，反饋裝置之一由形成在硅波導(dǎo)上的光柵構(gòu)成。
2．如權(quán)利要求1所述的外腔激光器，形成在硅芯片上，硅波導(dǎo)集成在芯片上，而且光學(xué)增益介質(zhì)由安裝在芯片上的光學(xué)放大器構(gòu)成。
3．如權(quán)利要求2所述的外腔激光器，其中另一反饋裝置由光學(xué)放大器的后面構(gòu)成。
4．如權(quán)利要求2或3所述的外腔激光器，其中光學(xué)放大器安裝在形成于硅芯片上的定位槽中。
5．如前述權(quán)利要求中任何一項所述的外腔激光器，其中所述硅波導(dǎo)是肋型波導(dǎo)，而所述光柵通過形成在波導(dǎo)肋上的一系列槽形成。
6．如權(quán)利要求5所述的外腔激光器，其中每個槽沿波導(dǎo)肋高度的30至70％路徑延伸。
7．如前述權(quán)利要求中任何一項所述的外腔激光器，具有溫度傳感裝置，用于感應(yīng)光柵的溫度。
8．如權(quán)利要求7所述的外腔激光器，其中所述溫度傳感裝置包括臨近其中形成有光柵的波導(dǎo)或者與之交叉形成的集成傳感器，所述傳感器最好由p-i-n或者p-n結(jié)構(gòu)成。
9．如權(quán)利要求7或8所述的外腔激光器，包括用于至少加熱或冷卻光柵的加熱或冷卻裝置。
10．如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的外腔激光器，其中光柵形成在硅波導(dǎo)的基本上隔熱的部分上。
11．如權(quán)利要求10所述的外腔激光器，形成在硅芯片上，其中所述硅波導(dǎo)部分形成于硅芯于片的槽上方延伸的部分硅層上。
12．如權(quán)利要求10所述的外腔激光器，形成在硅芯片上，其中所述硅波導(dǎo)部分在形成于硅芯片的相鄰區(qū)域上的溝槽之間延伸。
13．如前述權(quán)利要求中任何一項所述的多個外腔激光器，設(shè)置在同一芯片上。
14．如權(quán)利要求13所述的多個外腔激光器，具有用于組合每個激光器的輸出的多路復(fù)用裝置。
15．如權(quán)利要求13或14所述的多個外腔激光器，具有共用光學(xué)增益介質(zhì)和用于把增益介質(zhì)的輸出分割為多個信號的功率分配裝置，每個信號被傳導(dǎo)到不同光柵。
16．如前述權(quán)利要求中任何一項所述的外腔激光器或外腔激光器陣列，形成在硅絕緣體芯片上。
全文摘要
一種外腔激光器,包括第一和第二反饋裝置,在它們之間具有光學(xué)增益介質(zhì)(2),反饋裝置之一由形成在硅波導(dǎo)上的光柵(4)提供。另一反饋裝置由光學(xué)增益介質(zhì)(2)的后反射面(2B)提供。因此能夠在制造期間確定激光器在給定溫度的輸出波長,而且激光器能夠利用批量生產(chǎn)技術(shù)制造。可以把光柵(4)絕熱以便不需要溫度控制裝置(6)控制光柵(4)的溫度。可以在單個芯片上設(shè)置激光器陣列。
文檔編號H01S5/14GK1309827SQ98814221
公開日2001年8月22日 申請日期1998年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月10日
發(fā)明者J·R·蒂德馬斯, S·J·法沙姆 申請人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司