CN105938975B - 一种温度不敏感激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度不敏感激光器(100)，包括：增益区(101)，用于产生激光辐射；反射区(103)，用于反射所述增益区(101)中产生的激光辐射；波导(105)，用于将所述增益区(101)产生的所述激光辐射引导至所述反射区(103)，以及将所述反射区(103)反射的激光辐射引导至所述增益区(101)，其中，所述增益区(101)、所述反射区(103)以及所述波导(105)构成所述半导体激光器(100)的谐振腔，所述波导(105)几乎无热。

Description

一种温度不敏感激光器
技术领域
本发明涉及一种温度不敏感(即，无热)激光器。特别地，本发明涉及一种温度不敏感半导体激光器。
背景技术
硅光子学作为一种具有广泛应用的通用技术平台正迅速得到重视，如应用于宽带传感器以及光纤通信网络的激光器等。硅光子通过在高品质、低成本的硅衬底上使用CMOS可兼容晶圆级技术以实现光子功能。然而，纯无源硅波导器件在插入损耗、相位噪声(会导致信道串音)和温度依赖性方面的性能仍受到限制。这是归因于二氧化硅包层与硅芯之间的高折射率对比度、非均匀硅层的厚度以及硅的高热光效应。
如今，光子器件的大部分成本来源于包装而非模具成本。当芯片的温度需要精确控制且元件设计包含有热电制冷器(简称TEC)时，尤其如此。TEC需要密封的环境，而且使用它们的元件一般要密封在“金盒”外壳内。光子要想成为即便是短距离内，比如，几米以内，的主流链路技术，该技术与铜缆解决方案相比必须在成本上具有竞争力。这就需要低成本包装技术，例如将光子芯片直接安装在印制电路板上，并且必须取消TEC的使用。
如今，对于光纤通信应用的自然冷却式激光器，粗波分复用(简称CWDM)的信道间距设置为20nm。这是由于没有了TEC，激光波长会由于温度作用产生漂移。想要设计在超过80-100nm的距离工作的光子功能是极其困难的。因此，只有4种波长信道可用于CWDM应用。而当以太网数据链路达到400Gbps时，4个波长信道就不够了。例如，有建议使用PAM-4从而通过25Gbps技术获得50Gbps每信道，并使用8个波长信道。
如果可以使用性价比较高的无热激光器，那么所述CWDM信道间距可以降低到10nm，且8信道CWDM的自然冷却方案将成为可能。
因此，需要一种温度较为不敏感的激光器，即，具有与温度较为独立的发射波长的激光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度较为不敏感的激光器。
该目的通过独立权利要求的主旨实现。从属的权利要求、说明书和附图中给出了具体的实施方式。
根据第一方面，本发明涉及一种半导体激光器，包括：增益区，用于产生激光辐射；反射区，用于反射所述增益区中产生的激光辐射；波导，用于将所述增益区产生的所述激光辐射引导至所述反射区和/或在所述反射区内，以及将所述反射区反射的激光辐射引导至所述增益区，其中，所述增益区、所述反射区以及所述波导构成所述半导体激光器的谐振腔，所述波导几乎无热。
根据第一方面提供的半导体激光器，在第一种可能的实施方式中，所述波导包含波导层和补偿层，其中所述补偿层设置在所述波导层上方，所述补偿层包括折射率在大约1.8到2.5之间且负温度系数在每摄氏度-0.5×10-4到-2×10-4之间的材料。
根据本发明第一方面的第一种可能的实施方式提供的半导体激光器，在第二种可能的实施方式中，所述补偿层的厚度使得所述波导的有效折射率n在温度的变化时总体保持不变。
根据本发明第一方面的第一或第二种可能的实施方式提供的半导体激光器，在第三种可能的实施方式中，所述波导层包括氮化硅。
根据本发明第一方面的第三种可能的实施方式提供的半导体激光器，在第四种可能的实施方式中，所述波导层的厚度在大约300nm至大约400nm之间。
根据本发明第一方面的第一至第四种可能的实施方式中任何一种提供的半导体激光器，在第五种可能的实施方式中，所述补偿层包括二氧化钛。
根据本发明第一方面的第五种可能的实施方式提供的半导体激光器，在第六种可能的实施方式中，所述补偿层的厚度(对应于波导层的垂直方向)在大约100nm到大约250nm之间，优选地，在大约150nm到大约200nm之间。
根据本发明第一方面的第一至第六种可能的实施方式中任何一种提供的半导体激光器，在第七种可能的实施方式中，所述半导体激光器还包括平面化的氧化层，设置在所述波导层和所述补偿层之间，其中，所述平面化的氧化层使得较容易在所述波导层上面的所述补偿层的刻画图案。
根据本发明第一方面的第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，所述平面化的氧化层的厚度在大约30nm至大约150nm之间。
根据本发明第一方面的第一至第八种实施方式中的任何一种，在第九种可能的实施方式中，所述半导体激光器的反射区几乎无热。
根据本发明第一方面的第一至第九种实施方式中的任何一种，在第十种可能的实施方式中，所述反射区包括环形谐振器和/或布拉格光栅。
根据本发明第一方面的第一至第十种实施方式中的任何一种，在第十一种可能的实施方式中，所述反射区和所述波导通过在平面光波电路中实现。
根据本发明第一方面的第十一种实施方式，在第十二种可能的实施方式中，所述增益区由III-V增益芯片提供。
根据本发明第一方面的第十二种可能的实施方式，在第十三种可能的实施方式中，所述平面光波电路与所述III-V增益芯片边缘耦合或者集成在所述III-V增益芯片上。
根据本发明第一方面的第十二种可能的实施方式，在第十四种可能的实施方式中，所述平面光波电路短暂地与所述III-V增益芯片耦合。
附图说明
本发明的具体实施方式将结合以下附图进行描述，其中：
图1示出了一实施例提供的无热激光器的俯视示意图；
图2示出了一实施例提供的无热激光器沿图1所示虚线A的横截面的示意图；
图3示出了一实施例提供的每开氏度的共振波长偏移对无热激光器的波导的补偿层厚度的依赖程度的示意图；
图4示出了一实施例提供的无热激光器的俯视示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考附图，所述附图形成本发明的一部分，并且在附图中通过图示示出可以实施本发明的具体各方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他方面，并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
应理解，关于描述方法的公开还可以适用于执行所述方法的对应设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了特定方法步骤，则对应设备可以包括执行所述方法步骤的单元，即使此单元未在附图中明确描述或示出。此外，应理解，除非另有说明，本文所述的各种示例性方面的特征可相互组合。
本文所述设备的实施用于生成集成光芯片。所描述的设备可以包括集成电路以及可以根据各种技术制造。例如，该电路可以包括逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光电路和/或存储器电路。
以下描述采用波导的器件。波导是一种引导电磁波的物理结构，尤其是在光谱中。波导的常见类型包括光纤和矩形波导。波导可以按照其几何结构分为，例如，平面、条状或光纤波导；按照模式结构例如分为，单模或双模；按照折射率分布例如分为，阶跃折射率分布或梯度折射率分布；以及按照材料例如分为，玻璃制品、聚合物制品或半导体制品。
图1示出了一实施例提供的温度较为不敏感或无热激光器100的俯视示意图。在一实施例中，所述无热激光器100实现为半导体激光器。
所述无热激光器100包括产生激光辐射的有源增益区101。在一实施例中，所述增益区101由III-V增益芯片提供。如图1中无热激光器实施例100的增益区101中的箭头所示，所述增益区101可包括用于反射所述增益区101产生的激光辐射的高反射面。
此外，所述无热激光器100包括无源反射区103用于反射所述增益区101产生的激光辐射。在一实施例中，所述反射区103可以在平面光波电路上实现。
在一实施例中，所述增益区101产生的激光辐射可以通过第一耦合区113与所述反射区103耦合。在一实施例中，所述反射区103以平面光波电路的形式与III-V增益芯片形式的增益区101边缘耦合。
此外，所述无热激光器100包括波导105，用于将所述增益区101产生的激光辐射引导至所述反射区103和/或在所述反射区103内，以及用于将所述反射区103反射的激光辐射引导至所述增益区101。在图1所示的实施例中，所述波导105实质上是所述反射区103的一个部分，其中，特别地，所述反射区103包括环形谐振器109以及分散的布拉格反射器111，下面会进行详细地描述。然而，本领域技术人员应该了解所述波导105也可以方便地实现在所述无热激光器100的其他部件中，以引导激光辐射。
所述增益区101、所述反射区103以及所述波导105构成了所述无热激光器100的谐振腔。在一实施例中，所述反射区103包括环形谐振器109和布拉格光栅或分散式布拉格反射器111，这样，就在所述增益区101的高反射面和所述分散式布拉格反射器111之间形成了谐振腔或法布里-玻罗激光腔。本领域技术人员应该了解图1所示的无热激光器100的发射波长基本上由所述环形谐振器109和所述分散式布拉格反射器111的反射特征决定的。在一实施例中，通过所述分散式布拉格反射器111的阻带来选择所述环形谐振器109的多个透射峰中的一个。
在图1所示的实施例中，激光辐射是从所述增益区101、所述反射区103和所述波导105构成的谐振腔中通过所述增益区101和所述环形谐振器109之间沿着所述波导105部分分布的第二耦合区115提取的。在一实施例中，所述第二耦合区115通过所述波导105的另一部分与所述无热激光器100的输出面107光学相连。
图2示出了图1所示的无热激光器100沿虚线A的横截面示意图。下面会更加详细地进行说明，在图2所示的实施例中，所述波导105基本上由波导层219和补偿层221构成，因此产生了几乎无热的波导105，以及几乎无热的反射区103。
在一实施例中，所述波导层219和所述补偿层221构成的波导105设置在硅片223的顶端。在一实施例中，所述波导层219通过堆焊氧化层225和所述硅片223分离。在一实施例中，所述波导层219通过堆积在所述堆焊氧化层225顶部的平面化的氧化层227部分与所述补偿层221分离。在一实施例中，金属覆盖的氧化层229设置于所述补偿层221和所述平面化的氧化层227的顶部。在一实施例中，所述平面化的氧化层227在所述波导层219和所述补偿层221中间的厚度在大约30到大约150nm之间。在一实施例中，图2的实施例所示的层设置与CMOS处理相兼容。
在一实施例中，所述波导105的补偿层221包括折射率在大约1.8到2.5之间且负温度系数在每摄氏度-0.5×10-4到-2×10-4之间的材料。在一实施例中，具有这些属性的波导105由含有氮化硅(简称SiN)的波导层219和/或含有二氧化钛(简称TiO2)的补偿层221所提供。
图3示出了一实施例提供的无热激光器100在每开氏度的共振波长偏移对针对5种不同波长(即，在1.5μm至1.6μm的波长)氮化硅波导层219上设置的氧化钛补偿层221的厚度的依赖程度的示意图。在该例子中，所述氮化硅波导层219的厚度为大约400nm，宽度为大约800nm，而所述二氧化钛层的宽度为3μm。在该例子中，对于所述氮化硅波导层219来说，在1550nm时，折射率为大约2,005，温度系数为每摄氏度大约5×10-5。在该例子中，对于所述二氧化钛补偿层221来说，在1550nm时，折射率为大约2.2，温度系数为每摄氏度大约-1×10-4。
从图3可以得知，(二氧化钛)补偿层221的厚度(对应于波导层207的垂直方向)在大约100nm到大约250nm之间(优选地在大约150nm到大约200nm之间)时，可以提供几乎无热的波导105，从而提供几乎无热的激光器100。进一步地，在一实施例中，所述补偿层221在这样的厚度使得所述波导105的有效折射率n在温度变化时总体保持不变。
图2所示的层设置，尤其是所述波导层219和所述补偿层221的设置可以实现为图4所示的无热激光器400的实施例中的无热波导405。为了避免不必要的重复，下面在图4所示的所述无热激光器实施例400中，将集中描述与图1中所述无热激光器100的实施例不同的地方。除了首位数不同(即，“4”代替“1”)之外，图1和图4中的相同元素使用相同的标志表示。对于这些相同元素的详细描述，请参考图1中所述无热激光器100的实施例中的描述。
图4所示的无热激光器实施例400与图1所示的所述无热激光器实施例100的主要区别在于：在所述激光器实施例400中，增益区401短暂地与反射区403耦合。具体来说，例如，将所述增益区401设置在所述反射区403的上方，这样所述增益区401产生的激光辐射可以短暂地与所述反射区403耦合。在图4所示的实施例中，可以在所述反射区403的一端提供分散式布拉格反射器417来构成谐振腔。进一步地，在一实施例中，所述分散式布拉格反射器417可以与另一个环形谐振器(图4中未显示)相结合。
本文描述的器件可在芯片、集成电路或专用集成电路(简称ASIC)中作为光电路来实现。本发明可以在数字和/或模拟电子和光电路中实现。
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其他实现方式或实施例中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其他变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”，“例如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应该理解的是这些术语用于指示两个元素之间相互配合和交互，不管它们是直接地物理或电气接触，还是非直接接触。
尽管对本文已经做了具体的说明和描述，但本领域普通技术人员应理解在不脱离本发明保护范围的情况下可以对一些具体内容做出替代性的和/或等效的描述。该申请旨在覆盖本文论述的具体实施方式的任何修改或变更。
尽管以下权利要求书中的各元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一定限于以所述特定顺序来实现。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (13)

1.一种半导体激光器（100；400），其特征在于，包括：
增益区（101；401），用于产生激光辐射；
反射区（103；403），用于反射所述增益区（101；401）中产生的激光辐射；
波导（105；405），用于将所述增益区（101；401）产生的所述激光辐射引导至所述反射区（103；403），以及将所述反射区（103；403）反射的激光辐射引导至所述增益区（101；401），其中，所述增益区（101；401）、所述反射区（103；403）以及所述波导（105；405）构成所述半导体激光器（100；400）的谐振腔，所述波导（105；405）无热；
其中，所述波导（105；405）包含波导层（219）和补偿层（221），其中所述补偿层（221）设置在所述波导层（219）上方，所述补偿层（221）包括折射率在1.8到2.5之间且负温度系数在每摄氏度-0.5×到-2×之间的材料；
所述半导体激光器（100；400）还包括平面化的氧化层（227），设置在所述波导层（219）和所述补偿层（221）之间，所述波导层（219）通过堆积在堆焊氧化层（225）顶部的平面化的氧化层（227）部分与所述补偿层（221）分离，所述波导层（219）底部有堆焊氧化层（225）。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述补偿层（221）的厚度使得所述波导（105；405）的有效折射率n在温度的变化时总体保持不变。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述波导层（219）包括氮化硅。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述波导层（219）的厚度在300 nm至400 nm之间。
5.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述补偿层（221）包括二氧化钛。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述补偿层（221）的厚度在100 nm到250 nm之间。
7.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述平面化的氧化层（227）的厚度在30 nm至150 nm之间。
8.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述半导体激光器（100；400）的反射区（103；403）无热。
9.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述反射区（103；409）包括环形谐振器（109；409）和/或布拉格光栅（111；411）。
10.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述反射区（103；403）和所述波导（105；405）通过在平面光波电路中实现。
11.根据权利要求10所述的半导体激光器（100；400），其特征在于，所述增益区（101；401）由III-V增益芯片提供。
12.根据权利要求11所述的半导体激光器（100），其特征在于，所述平面光波电路与所述III-V增益芯片边缘耦合或者集成在所述III-V增益芯片上。
13.根据权利要求11所述的半导体激光器（400），其特征在于，所述平面光波电路短暂地与所述III-V增益芯片耦合。
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