CN104011950B - 高密度激光器光学器件 - Google Patents

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Abstract

提供用于高密度激光器光学器件的装置和方法。激光器光学器件装置的示例包括：在单体地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)；高对比度光栅(HCG)，与该多个VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成，以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长；以及多个单模波导，每个与光栅耦合器集成，多个单模波导连接至多个集成的VCSEL和HCG中的每个，其中光栅耦合器中的每个对准至一集成的VCSEL和HCG。

Description

高密度激光器光学器件
背景技术
通过波导传输光已经被用于许多类型的通信应用。光信号相对于电子信号显现潜在优势。光源可以由包括诸如发光二极管和激光二极管之类的半导体器件在内的半导体器件制造。
光纤用作光信号的传输介质。单条光纤能够在其内一次携带数个不同的调制信号。例如，波分复用可以将光纤的带宽分成不同的信道(例如，每个信道包含一小范围的波长)，因此可以一次传输数个不同的光波长(例如，信号)。使用这种系统需要不同波长的源。
附图说明
图1图示根据本公开的与高对比度光栅(HCG)集成的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的示例。
图2图示根据本公开的与单模波导集成的光栅耦合器的示例。
图3是根据本公开的与连接至具有HCG的集成VCSEL的光栅耦合器集成的单模波导的示例。
图4图示根据本公开的与多个VCSEL集成的波分复用器的示例。
图5图示根据本公开的与多个单体地集成的VCSEL阵列集成的波分复用器的示例。
图6是图示根据本公开的受HCG的特定节距和特定占空比影响的由VCSEL发出的谐振波长的示例的图。
图7图示根据本公开形成的激光器光学装置的示例。
具体实施方式
以每秒1兆兆比特以上的带宽操作的高速光互连，是以例如它们与电气互连相比的低功耗和小型尺寸为基础的有吸引力的选择。波分复用可以提供高带宽的兆兆比特光纤(例如，每秒1兆兆比特以上)。对这样的应用而言，单体地集成的低成本多波长源是令人期望的。VCSEL是用于多波长源的有效选择，优点在于包括表面正常发射、低成本制造和晶片级测试。此外，多波长VCSEL源可以对包括例如光通信系统(如数据中心中)的一大批应用提供经济的方案。
本公开的示例包括用于激光器光学器件的装置、方法和机器可读的和可执行的指令和/或逻辑。本公开中提供的示例的实现方式提供了使用多个波长的高密度光引擎。
根据本公开的高密度激光器光学器件装置的示例包括：在单体地集成的阵列中的第一多个VCSEL；与该第一多个VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成以使能够发射多个激光发射波长中的单个激光发射波长的HCG；以及多个单模波导，每个与光栅耦合器集成，多个单模波导连接至第一多个集成的VCSEL和HCG中的每个，在这里光栅耦合器中的每个被对准至集成的VCSEL和HCG。
图1图示根据本公开的与HCG集成的VCSEL的示例。VCSEL可以以可以包括诸如p接触、n接触、牺牲层、氧化物层、钝化层等之类的各种构成的各种配置形成。为了本公开的目的，讨论与离散的激光发射波长的产生和/或发射直接相关的构成。
在本公开的详细描述中，参考形成本公开的一部分的附图，在附图中通过图示示出本公开的示例可以被如何付诸实践。充分详细地描述这些示例，以使本领域技术人员能够实施本公开的示例，并且应理解，可以利用其它示例并且在不背离本公开的范围的情况下可以做出过程、电气和/或结构的改变。进一步，在适合的场合，本文中使用的“例如”和“作为示例”应当被理解为对“作为示例且不作为限制”的缩写。
本文中的图符合编号惯例，其中第一位数字或头几位数字对应于该图的图号，剩余数字识别该图中的组件或部件。不同图之间的相似组件或部件可以通过使用相似的数字来识别。例如，116可以指图1中的组件“16”，并且相似的组件可以在图2中被称为216。可以添加、交换和/或消除本文中的各图中示出的组件，以便提供本公开的多个附加示例。另外，图中提供的组件的比例和相对大小旨在图示本公开的示例，而不应按照限制的意义去理解。
如图1中图示的，与HCG集成的VCSEL100的示例可以包括具有垂直腔的孔(aperture)102(例如，相对于VCSEL的其它部件与VCSEL101的上表面关联)的VCSEL101的示例。HCG103可以与垂直腔的孔102集成。在一些示例中，HCG103还可以担当VCSEL101的顶部镜。
可以将HCG103形成为包括具有特定节距104和特定占空比的光栅(例如，通过顶部镜的电子束光刻以及其它适合的刻蚀技术)。本公开中使用的光栅节距104指光栅的一实体条的开始和光栅的相邻实体条的开始之间的规则重复的距离。因此，节距104穿越一个实体条105的宽度和相邻实体条之间的相邻空闲空间106。在本公开中使用的光栅占空比指实体条105的宽度与节距104的比。因为实体条105的宽度和空闲空间106可以是恒定的，因此节距104可以在整个HCG的范围内恒定(例如，规则地重复)，这还可以使占空比在整个HCG的范围内恒定。
与HCG集成的VCSEL100的示例可以被形成为包括HCG103下方的垂直腔107的底切部分(例如，通过适当的底部刻蚀技术)。为了说明目的，垂直腔107在图1中表现为空的。然而，在各示例中，垂直腔107可以被充有(例如，如本文中或其它地方描述的)各种气态、液态和/或固态的材料。在垂直腔107的被底切的部分下方可以形成有源区108。有源区108可以由多个增益介质材料层形成，在进行电激励时，可以放大特定多个或特定范围的波长的光子生成。
与HCG集成的VCSEL100的示例可以被形成为包括有源区108下方的可以用作底部镜110的多个层。在一些示例中，底部镜110的多个层的预定结构可以导致底部镜110被形成为分布式布拉格反射(DBR)镜。
当电子和空穴在相同区域内出现时，它们可以复合或“湮灭”，结果是自发辐射，也就是说，电子可以再占用空穴的能态，发出具有与所涉及的电子和空穴态之间的差异相等的能量的光子。本文介绍的多种材料是可以被用来制造发出光子的结二极管的化合物半导体材料的示例。具有与复合能量相等的能量的邻近光子可以通过受激辐射导致复合。这可以生成具有与第一光子的相同的频率的、沿相同方向传播的、具有相同偏振和相位的另一光子。受激辐射导致注入区中的(例如，特定波长的)光波中的增益，并且该增益随穿越该结注入的电子和空穴的数量增加而增加。
增益区可以与光学腔关联，使得光被限制为相对窄的线。腔的两端可以形成光滑的平行的边缘，例如形成法布里-泊罗谐振器。在发出光子之前，光子可以在每个端面上反射数次。当光波穿过腔时，其可以被受激辐射放大。如果放大比损耗(例如，由于吸收和/或通过在端面上的不完全反射)多，则二极管开始“发射激光”。
影响所发出的光子波长的一些属性可以通过光学腔的几何构造来确定。在垂直方向上，光可以包含在薄层内，并且该结构可以支持沿与层垂直的方向上的单个光学模。在横向上，如果光学腔比光的波长宽，则波导可以支持多个横向光学模，并且激光器被称为“多模”。在希望小的聚焦束的应用中，可以将光学腔制得窄，处于光学波长量级。因此，支持单个横模。这样的单模激光器可以被用于光学存储、激光指示器和激光器光学器件以及其它应用。
激光中的模是驻光波。一些激光器是多模的，这可以由各种因素导致，例如光学腔的尺寸和形状、有源区的特定材料和配置以及镜的类型和其它考虑。基于这样的考虑，可以通过将HCG与垂直腔的孔集成而将多模激光器减向为单模激光器。与VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG的厚度、节距和/或占空比，可以支持腔中的(例如，具有单个纵向和垂直参数的)单个驻光波，因此该激光器可以发出单个激光发射波长。在一些示例中，单个激光发射波长可以包括1纳米(nm)范围内的多个波长。此外，本文描述的HCG的厚度、节距和/或占空比可以被调整为改变VCSEL的单模和由激光器发出的单个激光发射波长。
影响HCG的孔尺寸的这种特性变化还可对影响HCG的反射率做出贡献。因此，可以选择对孔的尺寸和/或反射率的改变，以形成单模激光器。于是，选择不同HCG特性可导致能够由VCSEL发出不同波长，并且增强VCSEL作为单模激光器操作的能力。例如，特定的HCG特性可能对(例如，在激光器腔中的)较高阶的模比对较低阶的模产生更大损耗(例如，通过对较低阶的模的反射率较高)。
所发出的波长可以是半导体的带隙和光学腔的模的函数。通常，最大增益将对能量稍高于带隙能量的光子产生，并且与增益峰值最近的模会最强烈地发出激光。一些激光二极管，如大多数可见激光器，以单个波长操作，但是该波长可能由于电流或温度的波动而不稳定。
由于衍射，束可能在离开激光器(例如，芯片上的半导体激光器)以后快速地发散。在一些情况中，可以使用多个透镜来形成准直束。对VCSEL而言，使用对称透镜时，由于垂直和横向的发散性不同，准直束在形状上是椭圆的。使用集成的HCG可至少部分地替代准直透镜，同时还将所发出的光子减少至单个激光发射波长或者窄的激光发射波长带。
在一些情况中，低带隙材料层可以夹在两个高带隙层之间。一对这样的材料是砷化镓(GaAs)与铝镓砷(AlxGa(1-x)As)。自由电子和空穴同时存在的区域——有源区，可以被约束至薄的中间层，使得更多的电子-空穴对可对放大做出贡献，但没有这么多在差的放大边缘被遗漏。此外，光子可以从两种材料之间的结中反射，使得光子被约束至发生放大的有源区。
如果中间层被制造得足够薄，则其可以担当对电子的波函数的垂直变化及由此对其能量的成分进行量子化的量子阱。量子阱激光器的效率可大于体激光器的效率，因为量子阱中的电子的状态函数的密度可以具有将电子集中在对激光作用做出贡献的能量态的陡峭边缘。包含一个以上量子阱层的激光器可以被称为“多量子阱”激光器。多个量子阱可以改善增益区与光波导模的重叠。通过将量子阱层缩减至量子线或量子点“海”，可以实现激光器效率的进一步提高。
刚刚描述的量子阱二极管可以具有太小以至不能有效地约束光的薄层。为了进行补偿，可以在例如前三层外侧上添加另两个层。这些层可以具有比中心层更低的折射率，因此更有效地约束光子。
VCSEL具有沿电流流动方向而非与电流流动垂直的方向(例如，如在其它激光器二极管中那样)的光学腔轴线。有源区长度与横向尺寸相比小，使得光子从腔的上表面而非从其边缘发出。腔的顶部和底部处的反射器可以是由四分之一波长厚的高反射率材料和低反射率材料的交替层制成的电介质镜，其可以是DBR镜。如果使得交替层的厚度和反射率导致界面处的部分反射波的相长干涉，则这样的DBR镜可以在期望的自由表面波长下提供高程度的波长选择性反射能力。
当与制作边发射的激光器相比时，制作VCSEL有几个优点。在制作过程结束之前，不对边发射器进行测试。如果边发射器不工作，无论是因为不良的接触还是差的材料生长质量，则生产时间都会增加并且会牺牲处理材料。此外，由于VCSEL发出与激光器的有源区垂直的束，而非如边发射器发出与有源区平行的束，所以许多(例如，数千)VCSEL可以在单个基板上同时地(例如，在单个半导体芯片上单体地)被处理。相应地，与边发射激光器相比，VCSEL的生产可以被控制至更可预测的产量。
图2图示根据本公开的与单模波导集成的光栅耦合器的示例。图2中图示的与单模波导集成的光栅耦合器215可以包括光栅耦合器218，其中光栅具有用于例如具有特定波长和/或以从法线(例如，垂直于光栅)起特定入射角的入射光222的折射的预定节距220。光栅耦合器218的节距220(除占空比以外)可以进行折射，使得入射光222沿单模波导226以期望的方向传播。
单模波导226可以由基板228支撑。在各示例中，基板228可以包括具有与单模波导226不同的折射率和/或反射率的多个层。因此，例如，基板228可以具有与单模波导226相邻的氧化物层，该氧化物层形成在硅层上。
用于沿波导折射光的光栅的节距(Λ)可以通过例如下面的公式、使用波导的有效折射率neff(例如，对空气归一化的传播矢量)、针对以与法线的特定入射角(Φ)(例如，当与光栅垂直提供入射光时，Φ可以具有0.0的值)的特定波长的入射光(λ)进行预定：
Λ＝λ/(neff-sinΦ)
通过由高折射率硅形成光栅耦合器、形成具有闪耀光栅的光栅耦合器和/或在光栅下放置反射材料(例如，镜)，在各个示例中，可以提高光栅耦合器的效率。
在激光器光学器件通信中，单模波导可以是被设计为仅携带光的单个空间模的光纤。在此环境下，模是用于波的亥姆霍兹方程式的可能解，该解是通过合并麦克斯威方程式和边界条件获得的。这些模限定波传播通过空间(例如，波如何在空间中分布)的方式。光波可以具有相同的模，但是可以具有不同的频率。在单模波导中情况是这样，单模波导可以携带具有不同频率但是具有相同空间模的光波，这意味着它们在空间中以相同的方式分布。
单模波导可以比多模波导表现显著更低的模态色散。因此，单模波导比多模波导在通过较长距离获得每个光脉冲的保真度时会更好。出于这些原因，单模波导可以具有比多模波导更高的带宽。
图3是根据本公开的与连接至具有HCG的集成VCSEL的光栅耦合器集成的单模波导的示例。图3中图示的与连接至具有HCG的集成VCSEL的光栅耦合器集成的单模波导330，可以包括在基板332上形成的单模波导(例如，硅上的硅石等)。
本文描述的与光栅耦合器336集成的单模波导334可以形成在基板332上。单模波导334可以具有用来与光栅耦合器336集成的较宽的过渡区，以提供用于光子进入与光栅耦合器336上的入射光束337的区域相比更窄通路的漏斗。
入射光束337可以由如本文描述的与光栅耦合器336相邻放置的具有HCG的单个集成VCSEL(未示出)发出，使得从其中发出的光子(例如，具有特定的激光发射波长)碰撞光栅耦合器336。基板332可以包括其上的焊料凸块339的图案(例如，在各种图案中)。具有HCG的单个集成VCSEL(例如，在单个模下操作)可以包括其上的焊料凸块的对应图案(例如，围绕垂直腔的孔)。因此，具有HCG的单个集成VCSEL可以通过匹配对应图案中的焊料凸块而与光栅耦合器336自对准。在此自对准以后，在所匹配的焊料凸块(例如，通过加热所匹配的焊料凸块)之间可以形成接合(bond)。
这样的自对准可以例如通过将该具有HCG的单个集成VCSEL(例如，在单个半导体芯片上)倒装到其上具有焊料凸块339的图案的基板332上来执行，使得该具有HCG的单个集成VCSEL上的焊料凸块的对应图案通过“倒装芯片”工艺匹配基板332上的那个。类似地，例如，在单体地集成的阵列(例如，在单个半导体芯片上)中的多个VCSEL(例如，每个操作在单模下)可以各自作为一组通过倒装芯片工艺与在基板上放置的具有分离的单模波导的多个光栅耦合器自对准。在一些示例中，该具有HCG的单个集成VCSEL和/或在单体地集成的阵列(例如，在单个半导体芯片上)中的多个VCSEL可以直接被倒装芯片到平台材料上并且与其接合。
可以改变入射光的输入角(例如图2中图示的沿特定单模波导的路径被折射的入射光222对法线的特定入射角(Φ))。在各示例中，可以通过改变焊料凸块中的一些或全部的高度来确定输入角。在各示例中，输入角可以通过在焊料凸块中的一些或全部的期望位置下刻蚀到平台材料内的特定深度来确定。
图4图示根据本公开的与多个VCSEL集成的波分复用器(WDM)的示例。图4中图示的与多个VCSEL(例如，每个操作在单模下)集成的WDM440可以例如形成在平台442(例如，其包括在硅平面光波电路(PLC)的玻璃或硅石以及其它材料)上。该平台可以在一些示例中是共同延展的和/或由与图3中图示的基板332相同或相似的材料形成。
平台442可以例如支撑将多个VCSEL与HCG444-1至444-N集成的单体地集成的阵列443(例如，在单个半导体芯片上)。具有HCG444-1至444-N的多个VCSEL中的每个可以被形成为产生相同的光波长(例如，通过被形成有相同的腔尺寸和形状、相同的有源区、相同的DBR镜等)。然而，从具有HCG444-1至444-N的VCSEL中的每个发出的激光发射波长可以，通过如本文描述那样改变与多个VCSEL中的每个VCSEL的垂直腔的孔集成的特定HCG(例如，被给予固定的厚度)的节距和/或占空比，与这多个中的全部其它离散。因此，具有HCG444-1至444-N的多个VCSEL中的每个可以发出离散的激光发射波长(例如，通过每个操作在单模下)。例如，图4中示出的单体地集成的阵列443可以发出来自具有其上形成的HCG的八个单模VCSEL的八个离散的激光发射波长。
本文中描述的与光栅耦合器445-1至445-N集成的多个单模波导可以连接至具有HCG444-1至444-N的多个VCSEL中的每个(例如，通过倒装芯片工艺自对准)。例如，图4中示出的单体地集成的阵列443可以发出来自具有其上形成的HCG的八个单模VCSEL的、被与光栅耦合器集成的八个单模波导收集和传输的、八个离散的激光发射波长。本文中描述的离散的激光发射波长中的每个可以被视为激光器光学“信道”。
与光栅耦合器445-1至445-N集成的多个单模波导中的每个可以被聚拢为将所传输的离散激光发射波长馈送到WDM441的输入内。本文中描述的WDM441可以是阵列式的波长光栅(AWG),在这里，离散的激光发射波长被输入到第一自由空间传播区446内。
进入的光可以穿越第一自由空间传播区446并且进入一束分离信道波导447。信道波导447具有不同的长度，因此在光穿越到第二自由空间传播区448内时在信道波导447的出口处施加不同的相移，在第二自由空间传播区448内离散的波长中的每个可以被合并用于在单个光波导449中输出。在如刚刚描述那样操作时，AWG起到复用器的作用。
在沿相反的方向操作时，AWG起到解复用器的作用。例如，当通过单个光波导输入多个波长时，它们以每个输出信道仅接收特定波长的光的方式在多个单模波导的入口处相互作用。
AWG可以包括以恒定长度增量增加的多个波导。当充当解复用器时，光可以通过单个光波导被输入到设备内。光可以从输入波导中衍射出并且传播通过第二自由空间传播区并且以高斯分布照射波导。耦合至波导的每个波长的光可以经历被归因于波导中的恒定长度增量的恒定相位变化。从每个波导中衍射的光可以相长干涉并且在分离的信道波导处被再聚焦，空间位置和输出信道是依赖于相移的波长。
AWG可以被用作WDM系统中的光(解)复用器。AWG能够将多个波长复用到单个光波导内，从而提高光网络的传输容量。AWG基于具有不同波长的光波彼此线性地相互作用的光学基本原理。这意味着，如果光通信网络中的每个信道利用具有稍不同波长的光，那么来自大量这些信道的光可以以可忽略的信道间串扰被单个光波导运输。这样，AWG可以被用来将数个波长的信道复用到传输端的单个光波导上，还可以被用作用来在光通信网络的接收端取得不同波长的单独信道的解复用器。
图5图示根据本公开的与多个单体地集成的VCSEL阵列集成的WDM的示例。图5中图示的与多个单体地集成的VCSEL的阵列集成的WDM550可以包括例如本文中描述的WDM541。
WDM541可以与多个单体地集成的VCSEL552-1至552-N(例如，在单个半导体芯片上集成的单体地集成的阵列中的每个)的阵列集成。单体地集成的VCSEL552-1至552-M的阵列中的每个可以包括其上形成有HCG的多个VCSEL(例如，如图4所示的)。单个单体地集成的阵列上的具有HCG的多个VCSEL中的每个可以被形成为产生相同的光波长(例如，通过被形成有相同的腔尺寸和形状、相同的有源区、相同的DBR镜等)。然而，多个单体地集成的阵列的不同阵列上的具有HCG的多个VCSEL中的每个可以被形成为产生不同的光波长(例如，通过被形成有不同的腔尺寸和形状、不同的有源区、不同的DBR镜等)。
从多个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个上的具有HCG的VCSEL中的每个中发出的激光发射波长，可以与这多个中的全部其它离散。这可以通过多个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个执行，多个单体地集成的阵列552-1至552-M被形成为，除了如本文描述的那样改变与多个VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成的特定HCG(例如，被给予固定厚度)的节距和/或占空比以外，还产生不同的波长或波长范围。这样，多个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个上的具有HCG的多个VCSEL中的每个可以，由发射离散的波长范围的多个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个，发射离散的激光发射波长。例如，图5中示出的八个单体地集成的阵列可以各自发出来自具有其上形成的HCG的八个单模VCSEL的八个离散的激光发射波长。
本文中描述的与光栅耦合器553-1至553-M集成的多个单模波导可以连接至多个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个上的具有HCG的多个VCSEL中的每个(例如，通过倒装芯片工艺自对准)。例如，图5中示出的八个单体地集成的阵列552-1至552-M中的每个可以发出来自具有其上形成的HCG的八个单模VCSEL的、被与光栅耦合器集成的64个单模波导收集和传输的、八个离散的激光发射波长。由于本文中描述的离散的激光发射波长中的每个可以被视为激光器光学信道，所以图5示出64个信道被输入到WDM541内。
与光栅耦合器553-1至553-M集成的多个单模波导中的每个可以被聚拢为将所传输的离散激光发射波长馈送到WDM541的输入内，在这里离散的激光发射波长被输入到第一自由空间传播区546内。进入的光可以穿越第一自由空间传播区546并且进入该束分离信道波导547。信道波导547具有不同的长度，因此在光穿越到第二自由空间传播区548内时在信道波导547的出口处施加不同的相移，在第二自由空间传播区548内离散的波长中的每个可以被合并用于在单个光波导555中输出。如图5中图示的，单个光波导555可以运输由从多个单体地集成的阵列中的每个中的多个VCSEL(例如，每个操作在单模下)中发出的离散激光发射波长的总数确定的多个信道，在该示例中是64个信道。
如图4中所示，与图5中图示的多个单体地集成的VCSEL阵列集成的WDM550可以例如形成在单个平台(例如，其包括硅PLC上的玻璃或硅石以及其它材料)上。电引线可以在各示例中形成在用于多个集成的VCSEL和HCG和WDM的单个平台(例如，其包括多个单模波导)上。电引线可以在各示例中使能够对包括待由集成的VCSEL和HCG转换成光的数据的驱动电流进行调制。
图6是图示根据本公开的受HCG的特定节距和特定占空比影响的由VCSEL发出的谐振波长的示例的图。图6中图示的图660包括纵轴，纵轴针对与VCSEL的垂直腔的孔集成的多个HCG中的每个，以纳米(nm)为单位示出节距663。该图包括横轴，横轴针对与相同VCSEL的垂直腔的孔集成的多个HCG中的每个，示出被表达为百分比的占空比665(例如，占空比乘以100)。
将VCSEL中的每个形成为产生相同的光波长(例如，通过被形成有相同的腔尺寸和形状、相同的有源区、相同的DBR镜等)。然而，多个VCSEL中的每个上的HCG的节距663和/或占空比665的预定变化可以导致发出一范围的谐振波长668。也就是说，VCSEL中的每个可以，根据其集成的HCG的节距和/或占空比的差异，具有不同的谐振波长。
谐振可以是系统(例如，VCSEL)在一些频率下比在其它频率下以更大的振幅振荡的趋势。激光器(例如，VCSEL)的光学腔包括形成用于光的驻波谐振器的镜布置。激光器的光学腔与有源区关联并且提供由有源区产生的光的反射反馈。在光学腔中约束的光反射多次并且对特定谐振频率产生驻波。不同的谐振频率可以通过与光学腔关联的镜的配置和/或镜之间的距离中的差异产生。如在本公开中描述的，与VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG是镜之一。这样，通过改变与垂直腔的孔集成的特定HCG(例如，被给予固定厚度)的节距和/或占空比，从被形成为产生相同光波长的VCSEL中可以产生离散的谐振频率，并且可以发出离散的激光发射波长。
如在图6的图660中图示的，被形成为产生相同光波长的VCSEL可以具有谐振波长的范围668(例如，其变得发出激光发射波长)，其中该范围中的特定波长依赖于HCG的特定节距和/或占空比。图660示出，依赖于为该HCG选择的特定节距663和/或特定占空比665，谐振波长的该范围668覆盖至少55nm的范围(例如，从大约820nm至大约875nm，尽管未示出该完整的波长范围)。在该示例中，使HCG的节距663变长，同时保持占空比665恒定，趋于使VCSEL的谐振波长变长。类似地，增加HCG的占空比665，同时保持节距663恒定，也趋于使VCSEL的谐振波长变长。例如，在400nm的节距处，50％的占空比可以导致大约843nm的谐振波长，而75％的占空比可以导致大约868nm的谐振波长。尽管刚刚提供的示例关于发出800-900nm之间的波长的VCSEL，但是可以与本公开一致地跨越任何期望的波长范围实现与HCG结合的单独的VCSEL和多波长VCSEL阵列。
如本公开中描述的，多个VCSEL(每个被形成为产生相同的光波长)可以位于单体地集成的阵列中，具有与每个的垂直腔的孔集成的HCG，以便发出多个离散的激光发射波长的单个激光发射波长(或1nm内的窄波长带)。此外，多个单体地集成的阵列中的不同阵列上的多个VCSEL(例如，每个操作在单个模下)可以被形成为产生不同波长的光，其中该多个单体地集成的阵列中的每个上的HCG可以被调整为产生谐振波长，因此发出激光发射波长，波长具有关于每个阵列的与该多个单体地集成的阵列中的所有其它范围离散的范围。
品质因数(即，Q)是描述振荡器或谐振器如何欠阻尼的无量纲参数，其可以反映谐振器相对于其中心频率的带宽。较高的Q可以表示相对于所存储的能量的较低能量损耗率(例如，谐振频率更缓慢地衰减)。谐振器谐振时的频率范围是带宽，并且具有较高Q的谐振器在较小的频率范围下操作并且更稳定。Q可以在系统之间大幅地变化。阻尼对其是重要的系统具有低的Q(例如，具有用于防止其猛然关闭的阻尼器的门可以具有大约0.5的Q)。相比之下，需要强谐振和/或高频率稳定性的其它系统具有大幅地更高的Q(例如，音叉可以具有大约1000的Q，原子钟可以具有1011或更高的Q)。
高的Q值可以通过选择特定范围内的节距和/或占空比来实现。例如，图660中被标记为670的区域具有至少1000的Q。在被标记为670的区域中，选择380nm的节距663可以通过跨越从40％至80％的全部范围改变占空比665导致大约828nm至大约863nm的谐振波长范围。这样，可获得大约30nm至40nm的带宽，同时保持至少1000的Q。被标记为673的区域具有至少10000的Q。在被标记为673的区域中，选择380nm的节距663可以通过跨越从大约46％至大约68％的范围改变占空比665导致大约836nm至大约855nm的谐振波长范围。这样，可获得大约15nm至25nm的带宽，同时保持至少10000的Q。
通过小至2-4nm的分离量调整具有HCG的VCSEL，可以稳定地保持离散的谐振波长。这样，可以以小至2-4nm的分离量稳定地保持激光器光学信道。因此，如图5所示，WDM541的单个光波导555可以例如承载64个信道(例如，来自于由在8个单体地集成的阵列之间划分的64个单模VCSEL发出的64个离散波长)，这可以覆盖小至128nm的波长范围。在一些示例中，波长可以具有较宽的分离量。相应地，依据信道中的波长的间距和/或由单个光波导携带的信道的数量，图4和图5中图示的WDM可以是稀疏波分复用器(CWD)或密集波分复用器(DWDM)。
本文中描述的激光器光学装置的温度可以在各个示例中影响由VCSEL和HCG产生的和/或发出的波长和/或在WDM的信道中携带的波长。例如，在从25摄氏度至85摄氏度的温度变化内，这样的波长可以漂移大约3.5nm(例如，每摄氏度大约0.06nm)。由温度变化带来的这种波长漂移可能特别地影响具有2-5nm的信道间距的DWDM。进一步，这种温度变化可能通过例如导致波长的漂移(例如，漂移至更长的波长)影响CWDM或DWDM的性能，因为其折射率可能随温度的变化而变化。
因此，稳定激光器光学装置的温度可在减少由温度变化带来的波长漂移方面是有用的。例如，在其上放置具有HCG的VCSEL、波导和/或激光器光学装置的WDM的平台，在各个示例中可以被温度稳定部件加热或冷却，使得该激光器光学装置的操作温度可以对温度有减小的影响，因此对波长的漂移有减小的影响。也就是说，温度稳定部件可以稳定多个集成的VCSEL和HCG的温度(例如，在操作时)。在一些示例中，温度稳定部件还可以稳定多个单模波导的温度。温度稳定部件可以例如操作来削弱由其它部件的热生成，以将其它部件冷却至相对稳定的温度。可替代地或此外，温度稳定部件可以例如操作来将其它部件加热至相对稳定的温度，使得由其它部件的热生成不显著地增加总体热量。
图7图示根据本公开形成的高密度激光器光学装置的示例。根据本文公开的激光器光学装置的描述，如在图7的框780中所示，在单体地集成的阵列中存在多个VCSEL。在一些示例中，这多个VCSEL可以是如本文描述的与多个第二单模VCSEL不同的多个第一单模VCSEL。如框782中示出的，存在与多个第一VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成的HCG，以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长(例如，通过每个操作在单模下)。激光器光学装置的示例包括与多个第一集成的VCSEL和HCG中的每个连接的多个单模波导，多个单模波导中的每个与光栅耦合器集成，其中光栅耦合器中的每个对准至集成的VCSEL和HCG，如框784所示。
在本公开的一些示例中，该装置可以包括在单体地集成的阵列中的多个第二VCSEL，其中多个第二VCSEL被配置为产生与被配置为由多个第一VCSEL产生的波长离散的波长。被配置为产生不同的波长可以产生于第一单模VCSEL和第二单模VCSEL具有例如不同的光学腔尺寸和/或形状、不同的有源区材料和/或配置和/或不同的镜类型以及其它考虑。
如本文中描述的，多个第二VCSEL中的每个可以在各示例中包括与其垂直腔的孔集成的HCG，使得由多个第二VCSEL发出的激光发射波长的范围与由多个第一VCSEL发出的激光发射波长的范围离散。此外，每个HCG可以使多个第一VCSEL和/或第二VCSEL中的每个操作在单模下，以发出离散的激光发射波长。
如本文中描述的，多个旨在指在没有实际数量的限制的条件下的“两个或更多个”。也就是说，多个VCSEL或者多个单体地集成的阵列以及其它示例仅指每个特定项中的两个或更多个，它们的具体数量可能不同。例如，多个第一VCSEL和多个第二VCSEL可以在每个多个中的VCSEL的数量方面不同。
例如，图6示出与VCSEL的垂直腔的孔集成的HCG的节距和/或占空比的变化如何能够导致谐振波长的范围，该范围可以使多个第一VCSEL中的每个发射离散的激光发射波长(例如，通过操作在单个模态下)。类似地，与第二VCSEL(例如，在第二单体地集成的阵列中)的垂直腔的孔集成的HCG的节距和/或占空比的变化可以导致不同的谐振波长范围，该范围可以使多个第二VCSEL中的每个能够发出离散的激光发射波长(例如，通过每个操作在单个模下)。由多个第二VCSEL发出的离散激光发射波长可以位于与由多个第一VCSEL发出的波长范围离散的波长范围内。在一些示例中，该多个激光发射波长(例如，从多个单体地集成的阵列中的每个中的单模VCSEL中的每个发出的)可以在1纳米至20纳米的范围内各自间隔开。
在各示例中，多个单模波导可以包括在WDM中，该WDM将离散的激光发射波长中的每个进行集成以用于在单个光波导中输出，如例如图4和图5中所示。WDM可以是例如硅平台上的硅石平面光波电路，如关于图4所示的，但是还可应用于图5。
激光器光学装置可以由根据本公开的方法制造。除非明确地声明，否则本文中描述的方法示例不局限于特定顺序或次序。此外，所描述的方法示例或其要素中的一些可以在相同的时间点或基本相同的时间点发生或被执行。
根据本公开，可以在各示例中通过处理半导体材料堆以形成单体地集成的阵列中的多个VCSEL来制造激光器光学装置。这种处理可以例如通过向该半导体材料堆应用适当的刻蚀技术来执行，但是本公开不局限于此类实现方式。该半导体材料堆可以在各示例中包括用于产生多个激光发射波长的第一镜面材料、增益介质材料以及多个第二镜面材料以及其它材料。
如本文中描述的，第一镜面材料可以被处理为形成与多个VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长的HCG。这种处理可以例如通过向该第一镜面材料应用适当的刻蚀技术来执行，但是本公开不局限于此类实现方式。如本文中描述的制造激光器光学装置可以包括将与单模波导集成的光栅耦合器自对准至与HCG集成的多个VCSEL中的每个，其中光栅耦合器中的每个被倒装芯片自对准至特定的集成VCSEL和HCG。
被用来形成本文中描述的多个HCG的第一镜面材料可以由多种化学材料形成，包括例如III-V族化合物、II-VI组化合物、Si、Ge、SiGe和ZnO、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAlGaAs、InP、InAs、InGaAs、InAlAs、InGaAsP、InGaAlAsP、InGaN、InGaAlN、GaN、InGaAlAsN、GaAlSb、GaSb、AlSb等等和/或它们的组合。刚刚使用对元素的缩写，因为每个元素的不同比率(例如，化学计量法)可以在本公开的各示例中用来影响使用各种HCG配置实现的谐振波长。
除了被用来形成HCG的第一镜面材料的不同化学组成以及所形成的HCG的厚度、节距和/或占空比的变化以外，HCG可以被形成为具有形状、直径和/或朝向的变化。例如，HCG可以被形成为具有椭圆形、圆形、矩形或方形的配置或者它们的混合，具有任意多个跨越光栅的跨度的实体条，因此具有任意适合的直径。此外，HCG的实体条可以被形成为与光栅的长轴线平行、与光栅的长轴线垂直或与光栅的长轴线成对角线地延伸，或者它们的混合。
如本文描述的用来形成用于光波长生成的有源区的增益介质材料可以由多种化学材料制成，包括例如GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAs、InGaAsP、InGaAlP、InGaAlN等等和/或它们的组合。这样的增益介质材料可以在各示例中被用来形成有源区(例如，多个量子阱、量子点、量子线等)，有源区与本文描述的HCG结合产生谐振波长，该谐振波长可以例如以500nm、850nm、980nm、1000nm、1300nm和1550nm以及其它波长为中心。
例如，可以形成有源区和HCG的不同构成和/或配置，使得单独的单体地集成的阵列可以具有以离散值(例如，980nm、1000nm、1020nm等)为中心的激光发射波长，其中离散范围的激光发射波长是从每个单独的单体地集成的阵列中发出的。VCSEL的剩余构成可以由能够支持以期望波长进行激光发射的任何期望材料组合制成。
例如，每个特定的量子阱设计(例如，使用刚刚提供的多种化学材料)与多个不同的HCG配置结合可以产生大约30-40nm的可用增益带宽(例如，具有如图6所示的至少1000的Q)。集中于例如980-1000nm的大约120nm的带宽可以使用“应变(strained)”InGaAs产生(例如，关于多个量子阱、量子点、量子线等)。这种应变可以通过例如改变InGaAs化合物中的铟的量使得存在镓和砷化物成分的失配来获得。
制造激光器光学器件装置可以在各示例中包括外延地生长半导体材料堆。外延生长是可以被用来制造各种电子和光学器件的技术。这样的器件可以具有复杂的结构，其可以由具有各种构成的多个薄层制成。这样的器件的品质、性能和寿命可受外延层的纯度、结构精度和/或同质性影响。导致外延层精度、表面平整度和/或界面陡峭性的外延晶体生长可以依赖于多个因素，包括外延层生长方法、基板和外延膜之间的界面能以及多个生长参数，如热力学驱动力、基板和层失配(misfit)、基板取向偏差(misorientation)、生长温度等。
如在本文中描述的，外延生长可以被用于由半导体材料制造具有HCG的VCSEL。除了其它结构以外，外延生长及其刻蚀可以被用来制造半导体量子结构，以产生具有高密度(例如，多个量子阱、量子点、量子线等)以及很少缺陷的这样的结构。外延生长以及其它适合的技术可以被用于在单个半导体芯片上形成如本文中描述的单体地集成的阵列。
对第一镜面材料进行刻蚀来形成HCG可以例如包括利用电子束光刻来刻蚀每个HCG的节距和占空比的预定变化，使得每个HCG的节距和占空比的该预定变化对从多个VCSEL中的每个(例如，通过每个操作在单模下)中发出离散的激光发射波长做出贡献。尽管本公开允许具有实际益处的、仅通过改变HCG尺寸带来的VCSEL波长变化，但是本公开的教导不局限于此类实现方式。具体地，改变HCG的尺寸来改变所引起的谐振波长可以按需要与VCSEL结构的其它变化结合被用来支持更宽的波长范围或不同应用。
此外，如果其它VCSEL过程变化不能被恰当地控制，那么对HCG的尺寸的改变还可以用作精细调整机制。单独的HCG的节距和/或占空比可以通过例如激光修调(lasertrimming)来进行精细调整。这样的激光修调可以可靠地实现例如大约0.5nm或更低的HCG尺寸变化。
在各示例中，制造激光器光学装置可以包括处理(例如，除其它实现方式以外，刻蚀)多个增益介质材料层，以形成有源区，这里有源区可以包括多个量子阱。在各示例中，制造激光器光学装置可以进一步包括处理(例如，除其它实现方式以外，刻蚀)多个第二镜面材料，以在多个集成的VCSEL中的每个的垂直腔的封闭端形成多个DBR镜，多个DBR镜与多个量子阱结合(连同HCG和其它构成一起)对在该激光器光学装置的腔中产生预定的波长做出贡献。
在各示例中，制造激光器光学装置可以包括通过如本文中描述的那样匹配对应图案中的焊料凸块并且形成所匹配的焊料凸块之间的接合来进行倒装芯片自对准。例如，图3中图示的与光栅耦合器集成的单模波导，可以包括在基板332上形成的相同物(例如，除其它以外，硅上的硅石)。焊料凸块的图案的示例在图3中的指示数字339处示出。这种图案可以自对准至焊料凸块的对应图案，以将与光栅耦合器集成的单模波导连接至具有HCG的集成VCSEL(例如，通过加热所匹配的焊料凸块)。然而，图案不局限于该示例并且可以是包括从上方看到的任何形状凸块(例如，圆形的、椭圆形的、方形的、矩形的、连续的或分段的突起线等)在内的任何焊料图案。可替代地或此外，将单模波导连接至具有HCG的集成VCSEL使得由该具有HCG的集成VCSEL(例如，操作在单模下)发出的光与光栅耦合器适当地最准，可以以其它方式实现(例如，在制造期间和/或之后主动地对准)并且仍保持在本公开的范围内。
根据本公开，高密度激光器光学装置可以通过以下方式操作：将WDM的与光栅耦合器集成的单模波导集成至多个单体地集成的阵列中的多个VCSEL(每个与HCG集成)中的每个；通过该WDM将多个离散发出的激光发射波长集成到单个光波导内；并且通过确定从多个单体地集成的阵列中的每个中的多个VCSEL(例如，每个操作在单模下)中发出的离散的激光发射波长的总数，确定由单个光波导携带的光信道的数量。
例如，如图5中所示，八个单体地集成的阵列中的每个可以发出来自具有其上形成的HCG的八个单模VCSEL的八个离散的激光发射波长，这些离散的激光发射波长被与光栅耦合器集成的64个单模波导收集和传输。由于本文中描述的离散的激光发射波长中的每个可以被视为激光器光学信道，所以图5示出被输入到WDM内且在单个光波导中输出的64个信道。当每个激光器光学器件以每秒25吉比特进行传输时，例如64个信道可以共同地以每秒1.6兆兆比特进行传输。
在各示例中，特定单体地集成的阵列中的多个VCSEL中的每个可以被配置为产生与被配置为由其它单体地集成的阵列产生的波长离散的波长，HCG可以被配置为使多个单体地集成的阵列中的每个中的多个VCSEL(例如，通过每个操作在单模下)能够发出离散范围的离散谐振波长。
本公开的示例可以包括激光器光学装置、系统和方法，包括促进制造和/或操作该激光器光学装置的可执行指令和/或逻辑。处理资源可以包括能够访问在存储器中存储的数据以执行本文中描述的形成、动作、功能等的一个或多个处理器。如本文中使用的，“逻辑”是执行本文中描述的形成、动作、功能等的可替代或附加的处理资源，其相对于在存储器中存储的且可由处理器执行的计算机可执行指令(例如，软件、固件等)包括硬件(例如，各种形式的晶体管逻辑、专用集成电路(ASIC)等)。
应当理解，本文提供的描述是以说明性的方式而非限制性的方式作出的。尽管本文已经图示和说明关于装置、系统、方法、计算设备和指令的特定示例，但是其它等同部件布置、指令和/或设备逻辑可以替换本文提供的特定示例，而不背离本公开的精神和范围。

Claims (13)

1.一种高密度激光器光学器件装置，包括：
在第一单体地集成的阵列中的多个第一垂直腔表面发射激光器；
在分立的第二单体地集成的阵列中的多个第二垂直腔表面发射激光器；
高对比度光栅，与所述多个第一垂直腔表面发射激光器和所述多个第二垂直腔表面发射激光器中的每个的垂直腔的孔集成，以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长；以及
多个单模波导，每个与光栅耦合器集成，所述多个单模波导连接至多个第一集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅以及多个第二集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅中的每个，其中所述光栅耦合器中的每个对准至一集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅，
其中所述多个第一垂直腔表面发射激光器中的每个被配置为产生与被配置为由所述多个第二垂直腔表面发射激光器产生的第二范围内的波长离散的第一范围内的波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其中每个高对比度光栅使所述多个第一垂直腔表面发射激光器和所述多个第二垂直腔表面发射激光器中的每个能操作在单模下，以发出离散的激光发射波长。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述多个单模波导包括波分复用器，所述波分复用器对各个离散的激光发射波长进行集成以在单个光波导中输出。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述波分复用器是硅平台上的硅石平面光波电路。
5.一种高密度激光器光学器件装置，包括：
在多个分立的单体地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器；
高对比度光栅，与所述多个垂直腔表面发射激光器中的每个的垂直腔的孔集成，以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长，其中所述多个激光发射波长各自以1纳米至20纳米的范围间隔开；以及
多个单模波导，每个与光栅耦合器集成，所述多个单模波导连接至多个集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅中的每个，其中所述光栅耦合器中的每个对准至一集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅，
其中在第一分立的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器中的每个被配置为产生与被配置为由在其他分立的阵列中的其他垂直腔表面发射激光器产生的多个其他范围内的波长离散的第一范围内的波长。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光栅耦合器中的每个自对准至所述一集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅。
7.根据权利要求5所述的装置，进一步包括在用于所述多个集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅以及所述多个单模波导的单个平台上形成的电引线，其中所述电引线使得能够对包括待由所述集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅转换成光的数据的驱动电流进行调制。
8.根据权利要求5所述的装置，进一步包括稳定所述多个集成的垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅的温度的温度稳定部件。
9.一种制造高密度激光器光学器件装置的方法，包括：
处理半导体材料堆，以形成多个分立的单体地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器，其中所述半导体材料堆包括：
第一镜面材料，
增益介质材料，以及
多个第二镜面材料；
处理所述第一镜面材料来形成高对比度光栅，所述高对比度光栅与所述多个垂直腔表面发射激光器中的每个的垂直腔的孔集成，以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发射波长，其中在第一分立的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器中的每个被配置为产生与被配置为由在其他分立的阵列中的其他垂直腔表面发射激光器产生的多个其他范围内的波长离散的第一范围内的波长；以及
将与单模波导集成的光栅耦合器自对准至与高对比度光栅集成的所述多个垂直腔表面发射激光器中的每个，其中将所述光栅耦合器中的每个与特定的集成垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅进行倒装芯片自对准。
10.根据权利要求9所述的方法，其中将所述光栅耦合器中的每个与特定的集成垂直腔表面发射激光器和高对比度光栅进行倒装芯片自对准包括：匹配对应图案中的焊料凸块并且形成所匹配的焊料凸块之间的接合。
11.根据权利要求9所述的方法，其中处理所述第一镜面材料来形成高对比度光栅包括利用电子束光刻来刻蚀每个高对比度光栅的节距和占空比的预定变化，使得每个高对比度光栅的节距和占空比的预定变化对从所述多个垂直腔表面发射激光器中的每个中发出离散的激光发射波长做出贡献。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：处理所述增益介质材料的多个层来形成有源区，其中所述有源区包括多个量子阱。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：处理所述多个第二镜面材料来在多个集成的垂直腔表面发射激光器中的每个的垂直腔的封闭端处形成多个分布式布拉格反射镜，所述多个分布式布拉格反射镜与所述多个量子阱结合对产生预定的波长做出贡献。
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