模式控制激光系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]隨著對于高速通信和處理的需求已經(jīng)增加，光通信已經(jīng)變得更流行。數(shù)據(jù)通信鏈路可包括經(jīng)由激光器將光信號耦合到光纖或波導(dǎo)的光耦合，以將光信號提供到目的地設(shè)備以進行處理?？蓪⒂糜?0吉比特每秒(Gbps)的通信速度的數(shù)據(jù)通信鏈路實施為由于眼睛安全需求而具有大致較低(例如，近似6dB)的耦合效率?？舍槍Ω叩乃俣?例如，25Gbps)實施數(shù)據(jù)通信鏈路，但是數(shù)據(jù)通信鏈路可能要求較大的耦合效率，以基本上減輕接收機噪聲和調(diào)制消光比，并且可能局限于用于底板應(yīng)用中以基于較高的耦合效率去除眼睛安全需求。
【附圖說明】
[0002]圖1圖示出模式控制激光系統(tǒng)的示例。
[0003]圖2圖示出模式控制的示例圖。
[0004]圖3圖示出進行模式控制的VCSEL的示例。
[0005]圖4圖示出HCG模式控制元件的示例。
[0006]圖5圖示出HCG模式控制元件的另一個示例。
[0007]圖6圖示出模式轉(zhuǎn)換的示例圖。
[0008]圖7圖示出光耦合系統(tǒng)的示例。
[0009]圖8圖示出光耦合系統(tǒng)的另一個示例。
[0010]圖9圖示出用于將光信號從VCSEL耦合到光傳播器件的示例性方法。
【具體實施方式】
[0011]圖1圖示出模式控制激光系統(tǒng)10的示例?？稍诟鞣N光通信系統(tǒng)中的任何一種中實施模式控制激光系統(tǒng)10，以生成調(diào)制光信號0PTSI5?？衫鐚⒛Ｊ娇刂萍す庀到y(tǒng)10實施為諸如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的空間單模或多模激光器。例如，可在光學(xué)器件封裝件中將模式控制激光系統(tǒng)10實施為可被安裝在底板或印刷電路板(PCB)上的光發(fā)射機系統(tǒng)，以在計算機系統(tǒng)中提供高速光通信。舉例來說，可在高速(例如，25Gbps或更高)光通信系統(tǒng)中實施模式控制激光系統(tǒng)10。
[0012]模式控制激光系統(tǒng)10包括有源區(qū)12，有源區(qū)12被配置為響應(yīng)于諸如可被實施為調(diào)制光信號OPTsiJ^電信號E %來生成光能量。模式控制激光系統(tǒng)10還包括至少一個反光鏡14和高對比度光柵(HCG)模式控制元件16。反光鏡14被配置為使光能量在被限定于模式控制激光系統(tǒng)10的容積內(nèi)的光腔中發(fā)生共振。例如，反光鏡14可被配置為分布式布拉格反射器(DBR)，諸如包括多個(例如，二十五個或更多)具有單獨折射率的交替材料層。因而，反光鏡14可近似反射99%或更多。
[0013]HCG模式控制反射器16可被配置為包括多個由具有高折射率的材料組成的共振結(jié)構(gòu)的平面HCG反射器。舉例來說，具有高折射率的材料可使共振結(jié)構(gòu)的折射率與周邊材料的折射率之間的差大于或等于一。作為另一個示例，多個共振結(jié)構(gòu)可具有是在其中發(fā)生共振的光能量的亞波長的尺度(例如，寬度)。因此，光腔可包括反光鏡14和HCG模式控制反射器16，使得可通過在反光鏡14和HCG模式控制反射器16之間的尺度(例如，距離)來限定光腔，以使光能量在反光鏡14和HCG模式控制反射器16之間發(fā)生共振。
[0014]HCG模式控制反射器16的多個共振元件可被配置為對入射在其上的光能量的各部分進行有選擇性的相位延遲并且提供振幅控制，以提供光能量的強度分布的光模式控制。舉例來說，可將模式控制的強度分布布置為基本上非高斯強度分布。如在本文所描述的，基本上非高斯強度分布是關(guān)于光信號OPTsni的中心軸不是高斯強度分布，使得光信號OPTsiJ^最大強度不是居中于光信號OPTsis的中心軸上。舉例來說，非高斯強度分布可以是基本上離軸強度分布，使得光信號OPTsi5的光能量在光信號OPT %的中心軸處基本上最小(例如，近似的環(huán)狀)。作為另一個示例，非高斯強度分布可以是諸如在有源區(qū)12中生成的單模強度分布?？衫鐝木哂谢旧戏歉咚箯姸确植嫉腍CG模式控制反射器16發(fā)出光信號OPTsis (例如參見圖2) ο
[0015]圖2圖示出模式控制的示例圖50。在平面圖中示范出圖50，并且圖50包括被配置為生成從HCG模式控制反射器56 (例如，基本上類似于HCG模式控制反射器16)發(fā)出的光信號54的VCSEL 52?；谝?8示范的笛卡兒坐標系統(tǒng)在XY平面視圖中在圖2的示例中示范出VCSEL 52和光信號54。將光信號54示為展現(xiàn)基本上非高斯強度分布，使得光信號54的光能量關(guān)于中心軸60基本上減輕(例如，對應(yīng)于近似的環(huán)狀強度分布)。在基于以64示范的笛卡兒坐標系統(tǒng)的YZ平面視圖中，在諸如沿信號54的線A-A所取的剖視圖62中示范出在笛卡兒坐標系統(tǒng)58中的光信號54。在圖2的示例中，將基本上非高斯強度分布示為近似的環(huán)狀。然而，但應(yīng)當理解，可以以任何各種其他類型的形狀來展現(xiàn)基本上離軸強度分布。例如，基本上非高斯強度分布可具有除基本上圓形之外的諸如方形、矩形、六角形或各種其他形狀的外徑和/或內(nèi)徑截面形狀。作為另一個示例，反射模式控制的強度分布可以是諸如葉型圖案或其他圖案之類的基本上圍繞近似的中心點的中斷圖案，以基本上維持模式控制。
[0016]返回參考圖1的示例，基于在模式控制激光系統(tǒng)10內(nèi)部的光能量的模式控制，可將模式控制激光系統(tǒng)10實施為與典型的單模VCSEL系統(tǒng)相比以基本上更大的光功率生成光信號0PTSI(；。在圖1和圖2的示例中，可利用有源區(qū)12的相當大的模容積，來生成在模式控制激光系統(tǒng)10的光腔中發(fā)生共振的光能量，因而允許在基本上非高斯強度分布的控制模式中(例如，從HCG模式控制反射器16)發(fā)出基本上所有的光能量。因而，關(guān)于光功率，光信號OPTsk的發(fā)射可因此基本上類似于多模光發(fā)射。另外地，如在本文更詳細地描述的，可將基本上非高斯強度分布集中到不同的強度分布(例如，單模強度分布)，該不同的強度分布與由典型的單模VCSEL系統(tǒng)基于典型的VCSEL(例如，典型的高斯單模VCSEL)的受限有源區(qū)容積和/或孔尺度所生成的光信號(例如，單模高斯光信號)相比，可具有顯著大的光功率。因此，與典型的VCSEL系統(tǒng)相比，模式控制激光系統(tǒng)10可展現(xiàn)顯著大的功率效率，諸如可被實施為提供高速的(例如，25Gbps或更高的)光通信。
[0017]圖3圖示出進行模式控制的VCSEL 100的示例。VCSEL 100可對應(yīng)于圖1的示例中的模式控制激光系統(tǒng)10。因此，在以下圖3的示例描述中對圖1和圖2的示例進行參考。例如，可將VCSEL 100作為在陣列中被制造在一起的多個VCSEL之一制造在晶圓上。舉例來說，包括VCSEL 100的陣列中的VCSEL可都具有近似相等的直徑(例如，8 μm)，并且可彼此分開基本上更大的距離(例如，250 μπι)。VCSEL 100包括有源區(qū)層102，其被配置為響應(yīng)于電信號(例如，圖1的示例中的電信號Esk)生成光能量，該電信號諸如可被實施為對光輸出信號(例如，光信號OPTsis)進行調(diào)制。VCSEL 100還包括反光鏡層104，其可被配置為諸如可實現(xiàn)近似99 %或更多的反射率的、高度反射的DBR反光鏡。
[0018]VCSEL 100還包括HCG模式控制層106，其可被圖案化在基板108上。例如，HCG模式控制層106可被配置為包括多個由具有高折射率的材料組成的共振結(jié)構(gòu)的反射器。多個共振結(jié)構(gòu)可由諸如非晶硅、砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)之類的各種高折射率材料形成。舉例來說，基板108可以是半導(dǎo)體材料(例如，GaAs或InP)。例如，多個共振結(jié)構(gòu)可被空氣圍繞，或可被具有比共振結(jié)構(gòu)的折射率小至少一的折射率的另一個材料圍繞。也就是說，共振結(jié)構(gòu)的材料的折射率與周邊材料的折射率之間的差可大于或等于一。舉例來說，共振結(jié)構(gòu)可基于梯度圖案被布置在HCG模式控制層106的表面上。照此，HCG模式控制層106可對于入射在梯度圖案的單獨部分上的光能量不同地展現(xiàn)相位延遲以及振幅控制，以實施模式控制。
[0019]在諸如圖3中示出的一些示例中，VCSEL 100可包括附加反光鏡層110。附加反光鏡層110可被配置為與反光鏡層104相比具有較小層數(shù)的DBR反射器(例如，五層或更少層)，諸如足以實現(xiàn)關(guān)于HCG模式控制層106的較高總反射率(例如，近似99%或更大)。附加反光鏡層110可被布置在HCG模式控制層106上方，如在圖3的示例中示范的，可被布置在基板108和HCG模式控制層106之間，或可基于HCG模式控制層106的反射率被消除。另外，應(yīng)當理解，在有或沒有附加反光鏡層110的情況下將HCG模式控制層106實施為反射器，可得到與具有基本上可比較的反射率的典型DBR反射器相比具有顯著更小厚度的反射器。結(jié)果，與典型的VCSEL相比，將HCG模式控制層106實施為反射器的VCSEL 100可以具有更快的調(diào)制響應(yīng)時間。
[0020]反光鏡層104和附加反光鏡層110和/或HCG模式控制層106可因而形成VCSEL100中的共振光腔。因而，在有源區(qū)層102中生成的光能量可因而在光腔中發(fā)生共振，并且從VCSEL 100 (例如，經(jīng)由HCG模式控制層106)發(fā)出。在圖3的示例中，VCSEL 100可被配置為從HCG模式控制層106發(fā)出光能量。但應(yīng)當理解，在反向VCSEL布置中，VCSEL 100可通過基板發(fā)出光能量?；贖CG模式控制層106的共振結(jié)構(gòu)的模式控制特征，可將光能量作為諸如在本文公開的具有基本上非高斯強度分布的光信號(例如，光信號OPTsk)來發(fā)出。
[0021]如在先前所描述的