CN109075532B - 高速vcsel装置 - Google Patents

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Abstract

一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)包括所述VCSEL的反射表面。增益区域定位在所述分布式布拉格反射器上，所述增益区域产生光学增益。所述增益区域包含第一多量子阱堆叠和第二多量子阱堆叠、定位在所述第一多量子阱堆叠与所述第二多量子阱堆叠之间的隧道结，以及定位在所述第一多量子阱堆叠和所述第二多量子阱堆叠中的一个上的电流孔。所述电流孔将电流流动限制在所述增益区域中。部分地反射的表面和所述反射表面形成VCSEL谐振腔，其中输出光束从所述部分地反射的表面传播。

Description

高速VCSEL装置
本文所用的章节标题仅用于组织的目的，而不应被理解为以任何方式限制本申请中所述的主题。
相关申请的交叉引用
本申请是2016年3月4日提交的标题为“High Speed VCSEL Device”的美国临时专利申请序列号62/303,632的非临时申请。美国临时专利申请序列号62/303,632的全部内容以引用方式并入本文。
引言
已经存在对经由具有25Gb/s和以上的数据速率的光纤链路的较高速数字通信的日益增加的需求。多年以来，已经在传统的长距离通信系统中部署高速数字通信。近年以来，高速数字通信越来越多地被用在短距离链路中。这些包括用于计算机的短距离高速数据链路、高速以太网，和高速因特网，包括对家庭的高带宽本地服务。还存在对用于云计算的短链路数据传输应用的这些高速装置的强烈兴趣。这些应用包括计算机之间和用于大服务器安装的数据链路。
较高功率的较高速VCSEL的开发将拓宽高速数据链路的应用，从而实现许多应用，诸如分布式计算和通信的大园区配置。
附图说明
在结合附图进行的以下详细描述中更具体地描述了根据优选和示例性实施方式的本教导以及本教导的另外优点。本领域的技术人员应理解，以下所述的附图仅用于说明的目的。附图不一定按比例绘制，而一般是将重点放在说明本教导的原理上。这些附图并非意图以任何方式来限制申请人的教导的范围。
图1示出具有包括多个量子阱的单个增益区域的现有技术顶部发射VCSEL的示意图。
图2示出本教导的顶部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图，所述顶部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结彼此连接的多个多量子阱级段。
图3示出本教导的底部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图，所述底部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结彼此连接的多个量子阱级段。
图4示出本教导的另一顶部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图，所述另一顶部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结彼此连接的多个多量子阱级段。
图5示出本教导的另一底部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图，所述另一底部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结彼此连接的多个多量子阱级段。
图6示出本教导的另一顶部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图，所述另一顶部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结彼此连接的多个多量子阱级段。
图7示出根据本教导的亚波长光栅反射器的实施方式的示意图。
图8A呈现示出根据本教导的亚波长光栅反射器的实施方式的区域段的侧视图的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图8B呈现图8A的亚波长光栅反射器实施方式的一个条带的SEM图片特写横截面。
图9A和图9B呈现本教导的具有亚波长光栅的高速VCSEL装置的实施方式的俯视图的具有不同放大倍数的SEM图片。
图10示出根据本教导的高速VCSEL装置的实施方式的激光结构的示意图。
图11示出根据本教导的高速VCSEL装置的另一实施方式的激光结构的示意图。
图12示出根据本教导的底部发射多增益级高速VCSEL装置的实施方式的示意图。
图13示出根据本教导的具有亚波长光栅镜的顶部发射高速VCSEL装置的实施方式的示意图。
图14示出根据本教导的具有集成波导的顶部发射VCSEL装置的实施方式的示意图。
图15示出根据本教导的三镜扩展腔式VCSEL的实施方式的示意图。
图16示出示出根据本教导的耦合到检测器的波导的实施方式的示意图。
图17示出根据本教导的波导Tx/Rx模块的实施方式的示意图。
图18示出根据本教导的耦合到光纤阵列的VCSEL阵列的实施方式的示意图。
具体实施方式
现在将参考如附图中所示的本教导的示例性实施方式更详细地描述本教导。虽然本教导是结合各种实施方式和示例加以描述，但是不意图将本教导限于此类实施方式。相反，本教导涵盖各种替代、修改和等效物，如本领域的技术人员将了解的。可理解本文教导的本领域的普通技术人员将认识到，在如本文所述的本公开的范围内的另外实现方式、修改和实施方式，以及其他使用领域。
在本说明书中引用“一个实施方式(one embodiment)”或“一个实施方式(anembodiment)”意指关于所述实施方式所述的特定特征、结构，或特性包括在本教导的至少一个实施方式中。短语“在一个实施方式中”在本说明书中的各个地方的出现不必全部指同一实施方式。
应理解，本教导的方法的单独步骤可按任何顺序和/或同时执行，只要本教导仍然是可操作的。此外，应理解，本教导的设备和方法可包括任何数量的所述的实施方式或所述的实施方式中的全部，只要本教导仍然是可操作的。
用于利用VCSEL装置的高带宽光通信和高速数据通信的一些应用要求针对在极高的速度，包括高达40GHz和以上的带宽处的操作最优化VCSEL装置。本教导描述了可以在25Gb/s和以上的极高数据速率处操作的具有高效率的高功率VCSEL装置。根据本教导的装置可产生多个毫瓦(mW)的光输出功率。这些功率以可以有效地耦合到单模和多模光纤中的单模和多模光输出束投射。
在长距离上的现有技术高带宽数据通信依赖于高功率CW激光和高速铌酸锂调制器。因为边缘发射器DFB激光在这些高速率下不能够被调制，所以使用铌酸锂调制器。它们还创造光波长的显著啁啾声并且这导致光纤中的信号分散，严重地限制传输带宽。较低带宽的短距离通信现在通过经由单模和多模光纤链路传播的VCSEL的直接调制支配。
最近，已开发了可以25Gb/s和以上的数据速率操作的较高带宽的VCSEL。VCSEL设计的进步已经降低串联电阻和装置电容，从而实现较高的带宽调制。现有技术VCSEL具有极小的横截面，所述极小的横截面最小化电容并且确保用于耦合到用于高带宽系统的单模光纤中的单模操作。这必然限制增益体积的大小，并且结果是这些VCSEL具有约为l mW或更少的低输出功率。
本教导的高速VCSEL装置通过使用多级增益区域克服标准VCSEL中的低功率限制，所述多级增益区域在高速VCSEL装置中产生较高增益和功率输出。多量子阱增益级段的若干集合可被制造并定位于VCSEL激光腔中。多量子阱的这些集合借助于隧道结彼此连接。隧道结是极高掺杂的p-n结，所述极高掺杂的p-n结允许电荷载流子穿过结的隧穿。
隧道结技术是众所周知的，并且已由本申请的受让人Princeton Optronics并由他人使用于许多其他应用，包括使用于高功率装置。各隧道结具有电容，但对于多个隧道结，如由本教导所述的，电容是有效地串联的，并且因而总电容通过等于隧道结的数量的因数降低(假设用于各隧道结的相等电容)，由此使能较高速度的强度调制。
VCSEL装置的各增益区域包括多量子阱的集合，所述多量子阱的集合定位在激光腔模的波腹处，以提供最大的增益和功率耦合。增加的增益使可以产生较高输出功率的小直径装置能够被制作。较小的装置设计也降低电容，从而使能较高速度的强度调制。另外，可通过将多个多量子阱增益的级段连接在一起实现较长的增益区域，并且谐振腔降低电容，从而产生高带宽的进一步增加。模拟示出装置的速度可使用显著地降低装置电容和装置电阻的这个方法增加到数百GHz。
本教导的高速VCSEL装置的一个特征在于，与驱动提供特定输出功率的现有技术VCSEL装置所需要的驱动电流相比，需要较低的驱动电流来自VCSEL装置产生相同或甚至更高的输出功率。
另外，本教导的高速VCSEL装置具有相比于现有技术VCSEL装置的较高效率。具体来说，本教导的高速VCSEL装置将相同电气输入功率转换成相比于现有技术VCSEL装置的高得多的光信号功率。电气到光功率转换效率的这个改进大大地简化了高速VCSEL驱动器电子学的设计。这个简化实质上降低用于在高频率，诸如大于25GHz的频率处的驱动器电子学的成本。驱动本教导的高速VCSEL装置所需要的较低电流的功率供应将消耗较低的功率。因而，整个发射器也将在较低的速度处，例如，在低于25GHz的速度处消耗较少的功率。
本教导的高速VCSEL装置的一个特征在于，可以实现每激光孔直径低电流。对于于给定激光孔直径需要低电流是有利的，因为其将改进装置的可靠性。这是因为装置可靠性由装置激光孔的每一单位面积的电流密度限制。隧道结装置中的电流密度可通过隧道结的数量的因数降低。因而，使用多个隧道结显著地改进高速VCSEL装置的可靠性。
图1示出具有包括多个量子阱105的单个增益区域103的现有技术顶部发射VCSEL100的示意图。单个增益区域103包括电流孔106以将激活电流限制在增益区域103的中心中。图1中所示出的现有技术VCSEL装置包括基板101，VCSEL外延结构通常通过MOCVD过程生长在所述基板上。VCSEL激光腔由分布式布拉格光栅(DBR)高反射性底部反射器102和DBR部分反射性顶部反射器104形成。DBR反射器有效地是镜，因此它们在本文中有时称为镜。增益区域段103定位在底部反射器102与顶部反射器104中间。增益区域段103含有多量子阱的集合105加上电流孔106，所述电流孔将电流限制在VCSEL装置的中心中。VCSEL是通过经由顶部接点107和底部接点108施加电流激活。电流孔106将电流限制在VCSEL的中心区域中以激活量子阱105以产生光学增益并且以在VCSEL激光腔中产生激光腔模。在图1中所示出的顶部发射VCSEL装置中，将输出束109从部分反射性DBR顶部反射器104取出。
VCSEL装置的脉冲带宽通过激光腔光子寿命、量子阱中的电光转换，和电气驱动电路，包括VCSEL电气性质控制。脉冲带宽有时称为VCSEL装置的调制带宽。腔寿命和量子阱转换是非常快的，因此调制带宽通常受驱动器电路的电气性质包括到VCSEL的连接和VCSEL电气触点诸如顶部接点107和底部接点108之间的电阻和电容限制。
本教导的一个特征在于，VCSEL装置是用利用多个多量子阱级段的高增益区域制造。图2示出本教导的顶部发射高速VCSEL装置200的实施方式的示意图，所述顶部发射高速VCSEL装置包括经由隧道结210彼此连接的多个多量子阱级段205。隧道结可用来连接增益区域中的多个量子阱级段以产生高增益。串联连接多个隧道结降低隧道结的总电容，正如任何其他类型的串联连接电容的情况。因而，串联连接的隧道结允许装置的高速调制。
增益区域203包括电流孔206，所述电流孔将激活电流限制在增益区域203的中心中。图2的高速VCSEL装置200的增益区域203具有带有相对长的增益区域长度的几何形状。高速VCSEL装置200包括基板201上的外延生长层结构。VCSEL激光腔由DBR高反射性底部反射器202和DBR部分反射性顶部反射器204形成。底部反射器是DBR反射器202，所述DBR反射器包括交替的高折射指数材料和低折射指数材料的多个层。在顶部发射VCSEL装置中，底部反射器的层结构被构造来提供高反射性。
增益区域段203也具有相对高的增益。增益区域段203包括多个量子阱的分组205。在一些实施方式中，各多量子阱的分组205具有介于两个到四个之间的量子阱。各种实施方式利用更多量子阱，取决于特定设计配置。各多量子阱的分组205定位在激光腔模的波腹，或最大光强度的位置处。因而，量子阱相对于激光腔模的定位导致相对高的增益，或增益到激光腔模的最大施加。
更具体地说，图2中所示出的实施方式示出三个多量子阱的分组205。隧道结210定位在量子阱的分组205中间。例如，图2中所示的隧道结210可以是非常薄的p-n结，所述非常薄的p-n结允许电荷载流子通过或隧穿p-n结势垒。隧道结210定位在激光腔模的节点处以最小化任何吸收效应。在图2中所示出的实施方式中，存在定位在各激光腔模节点处的两个隧道结210。因为存在三个多量子阱的分组205，所以增益比标准VCSEL的增益大三倍并且另外增益区域203是三倍长。增益区域长度的这个增加降低了高速VCSEL装置200的电容，因而增加调制带宽。
高速VCSEL装置200包括一个或多个电流孔206，所述一个或多个电流孔将电流限制在激光腔模区域中。电流孔206将电流流动限制在增益区域中。在一些实施方式中，电流孔206是由通过离子注入形成的高电阻率半导体层形成。在一些实施方式中，电流孔206是由氧化半导体层形成。第二DBR镜204定位在增益区域203和孔206上方。第二DBR镜204是部分反射的，使得其允许激光腔模中的辐射的一部分作为输出束209退出。高速VCSEL装置200是通过经由顶部电触点207和底部电触点208施加电流激活。
根据本教导的一些高速VCSEL装置利用额外的多量子阱的分组，并且隧道结定位在多量子阱的分组中的一些或全部之间。例如，这些高速VCSEL装置中的一些利用四个量子阱的分组，并且三个隧道结定位在四个分组中间。本领域的技术人员将显而易见对具有介入隧道结的额外多量子阱的分组的延伸。本讲授不限于在多量子阱的分组之间使用多少个隧道结。另外，本教导不限于多少个多量子阱的分组。
图3示出本教导的底部发射高速VCSEL装置300的实施方式的示意图，所述底部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结310彼此连接的多个量子阱的级段305。VCSEL配置还包括在增益区域303的两个侧上的电流孔306，所述电流孔改进电流限制。在图3中所示出的实施方式中，VCSEL被配置来底部发射装置，其中输出束309从底部DBR镜302射出并且通过基板301传输。在这个实施方式中，顶部DBR镜304展现高反射性，并且底部DBR镜302展现部分反射性。另外，在这个实施方式中，增益区域306具有三个多量子阱的分组305与两个介入隧道结310。存在限制电流的两个电流孔306。使用两个孔306可以提供较长增益区域303中的改进的电流流动。
图4示出本教导的顶部发射高速VCSEL装置400的另一实施方式的示意图，所述顶部发射高速VCSEL装置利用经由隧道结410彼此连接的多个多量子阱的阶级405。多个多量子阱级段405使用隧道结410彼此连接以形成产生高增益的增益区域403。在图4中所示出的实施方式中，各多量子阱的分组405包括多个电流孔406，所述多个电流孔将激活电流限制在增益区域403的中心中。
图4中所示出的实施方式是提供增益区域中的额外电流限制的配置。多个电流孔406的使用将电流约束在包括多个量子阱405的高增益区域403中。电流孔406定位于各多量子阱的分组405上方。电流孔406中的两个定位于相应隧道结410下方。另外，图4中所示出的实施方式包括具有用于底部接点408的交替代布置的VCSEL布局。在这个配置中，台面被部分地蚀刻到底部DBR镜402中。用于底部接点408的这个配置具有两个重要特征。第一，其将两个电触点407、408放置在高速VCSEL装置400的同一侧上。第二，将电流注入到DBR镜402的中心区域中，从而改进效率。
VCSEL装置中的高电阻的主要来源是DBR镜402的多个层。底部接点408定位在被部分地蚀刻到DBR镜中的台面上。底部接点408注入电流，使得其仅流过DBR层的子集，因而导致穿过装置的较低电阻路径。实现穿过VCSEL的相对低的电阻路径是实现高频调制或高调制带宽操作所必需的。在一个实施方式中，封装被配置使得向VCSEL提供高速电气连接，并且顶部接点和底部接点紧密靠近地定位并且在装置的同一侧上可接近。
图5示出本教导的底部发射高速VCSEL装置500的另一实施方式的示意图，所述底部发射高速VCSEL装置利用使用隧道结510彼此连接的多个多量子阱级段505。在这个实施方式中，各多量子阱的分组505包括电流孔506，所述电流孔将激活电流限制在增益区域的中心中。图5的底部发射高速VCSEL装置500布局类似于图4中所述的顶部发射VCSEL，因为顶部接点和底部接点两者是从装置的同一侧可接近的。顶部DBR镜504展现高反射性。输出束509通过基板501并且通过底部部分反射的DBR镜502射出。在这个实施方式中，增益区域段503具有三个多量子阱的分组505与相关联电流孔506。两个隧道结510定位在多量子阱的级段505中间。顶部接点507定位在顶部DBR镜504上并且底部接点508在装置的同一侧上定位在部分蚀刻的底部DBR镜502上。
图6示出本教导的顶部发射高速VCSEL装置600的另一实施方式，所述顶部发射高速VCSEL装置利用通过隧道结610彼此连接的多个多量子阱级段605。在图6中所示出的实施方式中，各多量子阱的分组605包括电流孔606，所述电流孔将激活电流限制在增益区域的中心中。存在处于最后的多量子阱的分组605下方的电流孔606和介于最后的多量子阱的分组与DBR镜602之间的电流孔606。
图6示出对于较短波长和/或高功率操作合意的高速VCSEL装置的两个额外特征。第一，增益区域603具有介于顶部DBR镜604与底部DBR镜602之间以及介于多量子阱的分组605之间的电流孔606。将电流孔定位在顶部DBR镜和底部DBR镜附近提供了增益区域段中的电流的进一步限制以最大化从注入电流到光模的增益和功率转换。第二，基板601厚度已被降低，并且在一些实施方式中，所述基板被完全移除，以改进热性能。减薄或移除基板601改进了从增益区域603到热扩散器和散热器(未示出)的热传递，所述热扩散器和散热器通常以导热粘结剂粘结到底部接点608。
虽然本教导的高速VCSEL装置可以是多模或单模输出，但是来自VCSEL的单模输出束的偏振通常是线性的。然而，偏振的取向并未在VCSEL装置中良好地界定，并且可在不同操作条件下变化。对于利用根据本教导的高速VCSEL装置的一些应用可为重要的是，来自VCSEL的光输出功率被线性偏振，并且偏振方向被预定。存在用于从VCSEL装置获得具有预定方向的线性偏振的若干技术。一种常见方法将使用非对称激光孔诸如椭圆形状或矩形形状。另一方法将使用谐振腔中的反射器，所述反射器优先反射期望的偏振。
本教导的一个特征是亚波长光栅对于增加装置的速度的使用。在一些实施方式中，亚波长光栅替换在现有技术VCSEL中所使用的分布式布拉格反射器(DBR)镜。在一些实施方式中，使用DBR镜和亚波长光栅两者，以便降低VCSEL装置中的DBR层对的数量。通过使用亚波长光栅降低DBR层对的数量或完全消除DBR镜降低了装置电阻并且由此降低RC时间常数并增加装置的速度。执行模拟以证实如本文所述的将隧道结定位在增益区域之间和如本文所述的通过使用亚波长光栅消除DBR镜的组合导致可以递送大于ITHz的带宽和超过lTb/s的高速数据速率的VCSEL装置。然而，本领域的技术人员将了解，包括本文所述的隧道结和/或亚波长光栅的VCSEL装置具有许多合意的特征。例如，利用本文所述的亚波长光栅提供了VCSEL输出到集成光学波导的高效耦合，所述集成光学波导并非必要的高速/高带宽装置。
图7示出根据本教导的亚波长光栅反射器700的实施方式。亚波长光栅反射器700是窄带波长反射器。亚波长光栅包括具有周期713的条带712，所述条带定位在基板716上。基板可以是透明基板。亚波长光栅712是偏振选择性的，并且反射窄波长波段。因此，亚波长光栅反射器700是对于线性偏振的一个特定方向高度反射性的。亚波长光栅712的周期713小于由亚波长光栅712反射的激光的波长的长度。这个配置导致大于90度的衍射角，其中衍射束平行于光栅表面并且在衍射光与沿着光栅结构的各种类型的模之间产生耦合。
光栅条带712具有间隔714和高度715。在条带712的间隔714和高度715的各种配置下，衍射光与沿着光栅结构的各种类型的模之间的耦合导致随波长和偏振变化的光717的直接法向反射。因而，从垂直于由多个条带712界定的平面的方向入射的特定波长和偏振的光沿着垂直于由多个条带712界定的平面的方向被反射回。偏振可以是具有特定取向的线性偏振。光栅条带712通常包括具有不同折射指数的一个或多个层结构，所述一个或多个层结构沉积在基板716上，所述基板可以是透明基板。
图8A呈现示出根据本教导的亚波长光栅反射器的实施方式的区域段的侧视图的扫描电子显微镜(SEM)图片800。图8A示出透明基板上的光栅结构的五个周期。图8B呈现图8A的亚波长光栅反射器实施方式的一个条带的SEM图片850特写横截面。图8B中呈现的特写SEM图片示出光栅条带，所述光栅条带在这个实施方式中由不同材料的两个层组成。
图9A和图9B呈现本教导的具有亚波长光栅的高速VCSEL装置的实施方式的俯视图的具有不同放大倍数的SEM图片900、950。另外，以下所示的各SEM图片是用来参考SEM图片中所展示的特定VCSEL装置的较低放大倍数照片。亚波长光栅被制造为用于高速VCSEL装置的顶部反射器。图9A以相对高的放大倍数呈现SEM图片900，使得其清楚地示出高速VCSEL装置的圆形激光孔中的光栅结构。图9B呈现具有较低放大倍数的SEM图片950以用于比较。
图10示出根据本教导的高速VCSEL装置1000的实施方式的激光结构的示意图。图10中所示出的激光结构包括亚波长光栅1019，所述亚波长光栅与充当顶部反射器的DBR镜1004组合。这个激光结构类似于在图9A和图9B中的SEM图片中示出的VCSEL。将亚波长光栅1019和DBR镜1004组合在同一结构中的一个特征在于，这样的结构具有带有亚波长光栅装置的偏振选择性的DBR镜装置的功效。DBR镜1004具有相比于在不存在亚波长光栅的情况下所需要的较薄的厚度，并且具有较少层对周期，从而给予所述DBR镜较低的反射性。亚波长光栅1019被制造于DBR镜1004的顶部上。使组合反射性亚波长光栅1019和DBR镜1004与没有亚波长光栅的顶部发射VCSEL DBR镜的设计的部分反射性相等。包括DBR镜1004和亚波长光栅1019两者的顶部镜的厚度1020比没有亚波长光栅的具有等效反射性DBR镜的DBR镜结构薄得多。因此，高速VCSEL装置1000将以与使用具有较多层且没有亚波长光栅的顶部发射VCSEL DBR镜结构的设计相同的功率发出激光。
所得高速VCSEL装置1000将具有带有线性偏振输出束1009的相对高速的响应，所述线性偏振输出束具有通过亚波长光栅1019的条带图案和尺寸界定的偏振取向。组合亚波长光栅1019和DBR镜1004的顶部镜的较小厚度1020将导致电触点1007、1008之间的较低电阻。较低电阻由于较低RC时间常数而导致较高速响应。在其他实施方式中，DBR镜完全由亚波长光栅替换，这进一步降低装置的电阻。
图11示出根据本教导的高速VCSEL装置1100的另一实施方式的激光结构的示意图。在这个实施方式中，将亚波长光栅1119与DBR光栅1104组合以形成顶部反射器，并且将亚波长光栅1121与DBR光栅1102组合以形成底部发射多级增益高速VCSEL的底部反射器。顶部反射器被设计成高度反射性的。顶部反射器的厚度1120小于在没有亚波长光栅合并到结构中的情况下将需要的厚度。底部反射器被设计成具有必要的部分反射系数以允许光通过基板1101从装置的底部发射。底部反射器的厚度1122小于在不使用亚波长光栅的情况下。两个光栅1119、1121对准以产生用于激光输出束1109的相同线性偏振取向。所得线性偏振激光输出束1109通过基板1101传输。
高速VCSEL装置1100具有低于可用没有亚波长光栅的类似激光狭窄获得的电阻的电阻。低电阻得以实现，因为DBR光栅1104、1102两者在厚度上降低，因为它们与亚波长光栅组合并且因而需要较少的层数。高速VCSEL装置1100的相对低的电阻实现较高速度的操作。在其他实施方式中，顶部反射器和底部反射器完全由亚波长光栅替换，从而产生装置电阻的甚至进一步降低。
在许多实施方式中，亚波长光栅比DBR镜薄得多，因为亚波长光栅可包括外延材料的仅一个或两个层并且在DBR镜结构中通常存在许多外延层。亚波长光栅使用较少材料层产生类似的反射性的事实可以在产生用于倒装芯片或表面装配过程的低剖面装置和近平面装置时提供若干优点。
图12示出底部发射多增益级高速VCSEL装置1200的实施方式的示意图。在图12中所示的实施方式中，亚波长光栅1221充当底部反射器并且将DBR反射器1204用于顶部反射器。激光腔由顶部DBR反射器1204和亚波长光栅1221形成。激光腔和增益区域1203在由施加至接点1207、1208的电流激活时产生线性偏振输出束1209。在这个实施方式中，输出束1209从透明基板1201射出。增益区域1203包括多个电流孔1206和使用隧道结1210连接的多个多量子阱级段1205。电流孔1206也定位在多个多量子阱级段1205中间。从底部发射多增益级高速VCSEL装置1200的顶部镜到底部镜的厚度1223小于在底部镜利用DBR反射器的情况下。因而，多增益级高速VCSEL装置1200也具有降低的装置电阻，从而允许装置展现较高的调制带宽。
图13示出根据本教导的具有亚波长光栅镜的顶部发射高速VCSEL装置1300的实施方式的示意图。在这个实施方式中，底部高反射DBR镜替换为制造于基板1301上的高反射亚波长光栅1321。形成增益区域段1303的外延结构定位在亚波长光栅1321的顶部上。外延结构具有多于一个多量子阱的分组1305、隧道结1310和电流孔1306。部分反射顶部亚波长光栅反射器1319定位在增益区域段1303的顶部上。部分反射顶部亚波长光栅反射器1319使其线性偏振对准到底部光栅1321的那个线性偏振。在这个实施方式中，亚波长光栅1321、1319比已知VCSEL中所使用的DBR镜薄得多。因而，测量为接点1308、1307之间的距离的VCSEL装置1300厚度1324薄得多，因为顶部反射器是亚波长光栅1319并且底部反射器是亚波长光栅1321。这是因为亚波长光栅1319、1321需要比等效反射性DBR镜少得多的外延层。
顶部光栅反射器与底部光栅反射器之间的间隔1324被配置，使得激光腔波长对应于增益区域波长，并且还使得激光谐振腔波腹定位于多量子阱1305处并且结点定位于隧道结1310处。底部接点1308定位于基板1301的顶部上，使得两个接点1307、1308在高速VCSEL装置1300的同一侧上。
使用亚波长光栅来消除对用于顶部腔反射器和底部腔反射器两者的DBR镜的需要的实施方式产生最低高度轮廓的高速VCSEL装置1300。低高度轮廓导致接点1307、1308之间的较低电阻，并且因而允许较高速/较高带宽的操作。这意味施加在接点1307与接点1308之间的高速电流信号导致具有与时间有关的强度变化的高速输出束1309，所述强度变化对应于与时间有关的电流驱动信号变化。也就是说，VCSEL装置带宽高到足以将具有高调制带宽的电流信号转换成光束上的类似高带宽调制。在一些实施方式中，装置调制带宽是25GHz或更高。在其他实施方式中，装置调制带宽是40GHz或更高。在仍然其他实施方式中，装置调制带宽是100GHz或更高。在仍然其他实施方式中，装置调制带宽是ITHz或更高。本领域的技术人员将了解，仅将亚波长光栅使用于顶部反射器和底部反射器的高速VCSEL装置也可以被制作为底部发射VCSEL。
因而，本教导的VCSEL装置的一个特征在于，用一个或多个亚波长光栅反射器替换一个或多个DBR光栅反射器导致较薄的VCSEL装置。DBR镜是现有技术VCSEL的最高电阻率部分，并且通常包括装置的电阻的80％。用亚波长光栅替换DBR镜将显著地降低装置的总电阻，并且因此显著地降低RC时间常数并增加装置的速度。高速VCSEL装置厚度可通过如结合图13所述的由亚波长光栅完全替换两个DBR反射器甚至进一步降低。
本教导的VCSEL装置的另一特征是提供VCSEL输出到集成光学波导的高效光耦合。本教导的光耦合技术实现VCSEL到波导基板的直接倒装芯片粘结，这实现紧凑的低成本模块。进一步集成水平也通过使用类似耦合机构将高速检测器倒装芯片粘结到波导基板来实现。以这种方式，可以制作适合于直接耦合到光纤链路的紧凑传输/接收(Tx/Rx)高速模块。本领域的技术人员将显而易见，提供VCSEL输出到集成光学波导的高效耦合的本教导的方法和设备可应用于较低速VCSEL装置设计。
为提供到集成光学波导的高效耦合，将亚波长光栅放置在顶部DBR输出镜上。亚波长光栅用来将来自高速VCSEL的输出耦合到波导中。高速VCSEL的许多应用将经由光纤或波导传输高速数据。VCSEL的一个特征在于，它们产生使得较容易将输出束耦合到圆形波导中的圆形输出束。现有技术半导体激光诸如边缘发射半导体激光通常具有椭圆形形状的输出束。在其中激光输出束不是圆形的装置中，需要额外光部件诸如一个或多个透镜，和额外对准方法来将输出束耦合到光纤或波导中。
图14示出根据本教导的顶部发射VCSEL装置1400的实施方式的示意图。如结合图7的描述所描述，亚波长光栅1426作用来将辐射耦合到沿着光栅1426的模中。模中的一些然后向后耦出，以形成引导至增益区域1403的法向反射束。然而，可调整光栅参数，使得耦合辐射1427中的一些传播到靠近光栅定位的光波导1428中。在一些实施方式中，将亚波长光栅1426制造于DBR镜1420上。
顶部发射VCSEL装置1400的顶部反射器包括DBR镜1420和亚波长光栅1426。组合DBR镜1420和光栅1426的部分反射性被设计来以底部高反射DBR镜1402和增益区域1403中的多量子阱分组产生最佳激光操作。来自部分反射器1420、1426的激光腔模的输出束1409通过亚波长光栅1426耦合到波导1428中。来自输出束1409的耦合光变成通过波导1428传播的耦合辐射1427。通过将电流施加到接点1407和1408，以与针对其他实施方式所述的相同方式激活增益区域1403。
本教导的一个特征是使用具有高增益VCSEL的亚波长光栅来产生三镜外部腔高速VCSEL，同时还将来自VCSEL激光腔模的输出部分的辐射耦合到波导中。也可以进行从波导到检测器的使用亚波长光栅的耦合。
图15示出根据本教导的三镜扩展腔式VCSEL装置1500的实施方式的示意图。在这个实施方式中，亚波长光栅1530被配置为第三腔镜，所述第三腔镜将激光1517耦合到波导1528中以产生耦合光1527，所述耦合光沿着波导1528传播。底部发射VCSEL激光三镜腔包括用于顶部镜1504的高反射DBR、作为中间镜的部分反射DBR底部镜1531，和用于第三镜的部分反射亚波长光栅1530。多个多量子阱的分组包括增益区域段1503，所述增益区域段定位在DBR镜1504、1531之间。当通过在顶部接点1507与底部接点1508之间施加电流激活时，增益区域段1503在三镜腔中产生激光作用。激光1517通过部分反射亚波长光栅1530耦合到波导1528中以产生耦合光1527。这个实施方式为高速VCSEL操作提供来自三镜腔的较高亮度的优点。这导致到较低阶或单模波导中的较高功率耦合。
图16示出示出根据本教导的耦合到检测器1600的波导的示意图。在耦合到检测器1600的波导中，在波导1638中传播的辐射1633从波导1638中耦出到光检测器1631中。具体来说，光栅耦合器1636用来将辐射1633从波导1638耦出以形成输出光1634，所述输出光撞击到检测器1631的传感区域1637中。输出光1634也可以被引导至自由间或其他光设备(未示出)。光栅耦合器1636可包括亚波长光栅。光栅耦合器1636定位于波导1638中。在一些实施方式中，光栅耦合器也可以形成在检测器顶部表面中。一般来说，光栅可被制造至波导中，或光栅区域可被制造于检测器上并且光栅区域被插入以作为波导的部分。
本教导的一个特征是执行多个功能的紧凑集成光模块的产生。图17示出根据本教导的波导Tx/Rx模块1700的实施方式的示意图。模块1700是通过将高速、高功率VCSEL 1729和检测器1731组装在波导基板1710上制作。亚波长光栅用于耦合到1728、1738和从所述波导耦合。在这个布局中，波导1728、1738和1739形成Y型耦合器，所述Y型耦合器提供到光纤1740中的光的双路通信。在各种实施方式中，可种类型的分离器可用来分离输入和输出束。检测器1731将也以类似方式波导/光栅耦合到波导1738。高速、高功率VCSEL 1729到波导1728中的直接耦合使紧凑的集成光学模块能够被组装。模块1700是沿着光纤1740在两个方向上传输数据的双向Tx/Rx数据链路模块。
模块1700包括Y型波导分离器，所述Y型波导分离器将束耦合到波导1728和1738或将来自波导1728和1738的束耦合到单个波导1739中。单个波导1739随后耦合到光纤1740中。高速VCSEL 1729输出使用亚波长光栅耦合到Y型分离器的传输波导1728中以产生传输光束1727。VCSEL电触点连接到电路线，所述电路线连接到电气衬垫1730。将电流施加至衬垫1730激活VCSEL 1729。输出激光束耦合到波导1728中以产生传输光束1727，所述传输光束传播到光纤1740中。传输光束1727在耦合到波导1739中的光纤1740中依相反方向传播并且通过分离器引导到波导1738中以产生接收光束1733。接收光束1733通过光栅耦合器耦合到检测器1731中，所述光栅耦合器附接到波导1738。检测器1731由耦合激光束产生电气信号并且这些电气信号通过电路线提供到电气衬垫1732。
本教导的一个特征将提供高速VCSEL阵列到光纤阵列的高效耦合。VCSEL阵列可使用亚波长光栅耦合到光纤阵列中，所述亚波长光栅耦合到集成光学波导阵列中，所述集成光学波导阵列转而连接到光纤阵列。
图18示出根据本教导的耦合到光纤阵列1800的VCSEL阵列的实施方式的示意图。在这个实施方式中，高速阵列发射器模块是使用高速VCSEL线性阵列1841制造。VCSEL线性阵列1841定位于基板1810上，所述基板包括波导1828。VCSEL线性阵列1841含有高速VCSEL1829，所述高速VCSEL合并亚波长光栅反射器，所述亚波长光栅反射器提供输出激光束到波导1828中的耦合。在一些实施方式中，各亚波长光栅反射器将相应高速VCSEL 1829耦合到相应波导1828。波导1828对准到光纤阵列组件1843中的光纤1842。
电流信号到各对接点1830的施加激活VCSEL线性阵列1841中的VCSEL1829，从而产生传播到光纤1842中的光束。在一些实施方式中，相应接点1830连接到相应VCSEL 1829。如本领域中已知的，阵列中的VCSEL元件可被选择性地、单独地，或以各种分组共同地驱动，取决于应用。
VCSEL是表面发射装置。本领域中已知，可以将VCSEL装置制造成一维阵列和二维阵列。本文中所述的高速、高功率VCSEL可与标准VCSEL阵列配置高度兼容。因而，可以制造高速VCSEL装置的阵列。这大大地简化并且降低测试大量的装置的成本。另外，可耦合到光纤阵列中的集成模块阵列可被组装，从而进一步降低高速通信系统的成本。
本领域的技术人员将显而易见，各种高速多量子阱分组VCSEL和VCSEL阵列配置和类型可以用于使用本文所述的实施方式或本文所述的所述实施方式的在本教导的精神内的变化的许多不同高速激光应用。这包括了具有带有多量子阱的不同大量分组的VCSEL。具体地，虽然参考一些优选实施方式描述了本发明的广泛构架，但是也可通过应用本文所述的元件的组合和子组合来配置其他实施方式，这取决于对于高速激光应用所需要的特定VCSEL或VCSEL阵列。有和没有亚波长光栅反射器的不同实施方式的变化和修改在本教导的范围内。
等效物
虽然申请人的教导结合各种实施方式来描述，但是不意图将申请人的教导限于此类实施方式。相反，申请人的教导涵盖如本领域的技术人员将了解的可在不脱离本教导的精神和范围的情况下于申请人的教导中做出的各种替代、修改和等效物。

Claims (22)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括：
a) 所述垂直腔面发射激光器的反射表面；
b) 增益区域，其定位在所述反射表面上，所述增益区域产生光学增益，所述增益区域包括：
i.第一多量子阱堆叠和第二多量子阱堆叠；
ii.隧道结，所述隧道结定位在所述第一多量子阱堆叠与所述第二多量子阱堆叠之间；以及
iii.电流孔，所述电流孔定位在所述第一多量子阱堆叠和所述第二多量子阱堆叠中的一个上，所述电流孔将电流流动限制在所述增益区域中；以及
c) 部分地反射的表面，所述反射表面和所述部分地反射的表面形成垂直腔面发射激光器谐振腔，其中输出光束从所述部分地反射的表面传播，
其中所述反射表面包括第一亚波长光栅结构，
其中所述部分地反射的表面包括第二亚波长光栅结构，
其中每个所述第一亚波长光栅结构和所述第二亚波长光栅结构包括具有周期的条带；
其中所述第一亚波长光栅结构被配置来产生第一线性偏振，
其中所述第二亚波长光栅结构被配置来产生与所述第一线性偏振对准的线性偏振；
其中所述垂直腔面发射激光器谐振腔的激光腔模包括定位在所述隧道结处的节点；以及
其中所述垂直腔面发射激光器的所述激光腔模包括定位在所述第一多量子阱堆叠和所述第二多量子阱堆叠处的波腹。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述反射表面还包括分布式布拉格反射器。
3.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述部分地反射的表面还包括分布式布拉格反射器。
4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一亚波长光栅结构被配置来降低所述反射表面的电阻。
5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一亚波长光栅结构被配置来降低所述增益区域中的光子寿命。
6.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二亚波长光栅结构被配置来降低所述增益区域中的光子寿命。
7.如权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其中形成所述反射表面的所述分布式布拉格反射器以及所述第一亚波长光栅结构的组合被配置来降低在所述分布式布拉格反射器中需要来提供期望的反射性的分布式布拉格反射器层的数量，由此降低所述垂直腔面发射激光器的RC时间常数。
8.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二亚波长光栅结构被配置来降低所述部分地反射的表面的电阻。
9.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其中形成所述部分地反射的表面的所述分布式布拉格反射器以及所述第二亚波长光栅结构的组合被配置来降低在所述分布式布拉格反射器中需要来提供期望的反射性的分布式布拉格反射器层的数量，由此降低所述垂直腔面发射激光器的RC时间常数。
10.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括波导，所述波导定位成靠近于耦合从所述部分地反射的表面传播的所述输出光束的所述第二亚波长光栅结构。
11.如权利要求10所述的垂直腔面发射激光器，其中所述波导包括平面波导。
12.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括半导体基板，所述半导体基板被定位成使得所述部分地反射的表面定位在所述半导体基板与所述反射表面之间，使得所述输出光束通过所述基板。
13.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括半导体基板，所述半导体基板被定位成使得所述反射表面定位在所述半导体基板与所述部分地反射的表面之间。
14.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括第二部分地反射的表面，所述第二部分地反射的表面包括第三亚波长光栅，所述第三亚波长光栅定位成邻近于所述部分地反射的表面，所述反射表面、所述部分地反射的表面和所述第二部分地反射的表面形成扩展腔式垂直腔面发射激光器。
15.如权利要求14所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第三亚波长光栅耦合到波导中。
16.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括形成在基板上的第一电触点和形成在所述反射表面或所述部分地反射的表面中的一个上的第二电触点，以用于施加电流来激活所述垂直腔面发射激光器，其中所述第一电触点和所述第二电触点是可从所述垂直腔面发射激光器的同一侧接近的。
17.如权利要求16所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二电触点形成在所述部分地反射的表面上并且包括用于传输所述垂直腔面发射激光器输出光束的激光孔。
18.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述电流孔包括氧化半导体层。
19.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述电流孔包括通过离子注入形成的高电阻率半导体层。
20.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括第二电流孔，所述第二电流孔定位在所述第一多量子阱堆叠和所述第二多量子阱堆叠中的另一个上，所述第二电流孔将所述电流流动限制在所述增益区域中。
21.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述增益区域进一步包括第三多量子阱堆叠和第二隧道结，所述第二隧道结定位在所述第二多量子阱堆叠与所述第三多量子阱堆叠之间。
22.如权利要求21所述的垂直腔面发射激光器，其中所述增益区域进一步包括第四多量子阱堆叠和第三隧道结，所述第三隧道结定位在所述第三多量子阱堆叠与所述第四多量子阱堆叠之间。
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