CN113054528A - 一种激光器芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请的实施例提供一种激光器芯片，包括直调激光器DML区、马赫‑曾德尔干涉仪MZI滤波器区和电隔离区。电隔离区在DML区与MZI滤波器区之间，DML区用于作为光源，MZI滤波器区用于产生滤波效应，电隔离区用于实现DML区和MZI滤波器区的电隔离。MZI滤波器区包含至少一个MZI。DML区和所述MZI滤波器区通过单片集成的方式存在于所述芯片中。通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。

Description

一种激光器芯片
技术领域
本申请涉及通信领域，尤其涉及一种激光器芯片。
背景技术
进入信息化时代以来，人们对信息的需求一直在不断增长。光纤通信以其极低的传输损耗、低廉的价格、巨大的带宽、较强的抗电磁干扰等性能迅速成为通信网的核心技术。半导体激光器作为光纤通信的光源有两种工作方式，一种是直接调制，一种是外部调制器调制。直接调制是通过改变激光器的注入电流来直接调制激光器的输出光功率。外部调制器调制是通过外加调制器对激光器输出的光信号进行调制。目前用得多的外部调制器是低损耗的铌酸锂调制器和便于与激光器单片集成的电吸收调制器。直接调制半导体激光器由于具有低成本、低功耗、结构简单、便于接收的优点，在接入网、数据中心、以及5G通讯系统中都有着巨大的应用市场。但是半导体激光器在直接电流调制时，除了输出光功率会随注入电流而变化外，激光器的频率(或波长)也会随之变化，这称为直调激光器的频率啁啾。频率啁啾会导致激光器的光谱展宽，不同频率的光在光纤中传输时由于色散的作用导致传输速率不一样，所以到达接收端的时间也不一样。这样会导致信号畸变，发生串扰，限制传输距离。
发明内容
本申请的实施例提供一种激光器芯片，能够增大信号的传输距离。
第一方面，提供了一种激光器芯片，包括直调激光器DML区、马赫-曾德尔干涉仪MZI滤波器区和电隔离区，所述电隔离区在所述DML区与所述MZI滤波器区之间，所述DML区用于作为光源，所述MZI滤波器区用于产生滤波效应，所述电隔离区用于实现所述DML区和所述MZI滤波器区的电隔离；所述MZI滤波器区包含至少一个MZI；所述DML区和所述MZI滤波器区通过单片集成的方式存在于所述芯片中。
通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
结合第一方面的实现方式，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述DML区和所述MZI滤波器区通过单片集成的方式存在于所述芯片中，包括：所述DML区和所述MZI滤波器区共用同一衬底，所述DML区的波导一端通过所述电隔离区直接与所述MZI滤波器区的一个输入波导相连。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能实现的方式中，所述DML区为分布反馈DFB激光器或分布布拉格反射DBR激光器。
结合第一方面或第一方面的第一种至第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能实现的方式中，当所述DML区为DFB激光器时，所述DML区包括N电极、衬底、n-InP层、下分离限制异质结SCH层、多量子阱有源区、上SCH层、光栅层、p-InP层、欧姆接触层、P电极。
结合第一方面或第一方面的第一种至第三种可能的实现方式中的任意一种，在第四种可能实现的方式中，当所述DML区为DBR激光器时，所述DML区包括增益区、DBR区，以及所述增益区和所述DBR区之间的电隔离区；所述增益区包括N电极、衬底、n-InP层、下分离限制异质结SCH层、多量子阱有源区、上SCH层、p-InP层、欧姆接触层、P电极；所述DBR区包括N电极、衬底、n-InP层、无源芯层、光栅层、p-InP层、欧姆接触层、P电极；所述增益区和所述DBR区之间的电隔离区与DML区和MZI滤波器区的电隔离区相同。
结合第一方面或第一方面的第一种至第四种可能的实现方式中的任意一种，在第五种可能实现的方式中，所述MZI滤波器区包括N电极、衬底、n-InP层、无源芯层、p-InP层、欧姆接触层、P电极。
结合第一方面或第一方面的第一种至第五种可能的实现方式中的任意一种，在第六种可能实现的方式中，当所述MZI滤波器区包含至少两个MZI时，所述至少两个MZI通过级联的方式连接。
多个MZI级联可以使滤波曲线的调谐范围更大。
结合第一方面或第一方面的第一种至第六种可能的实现方式中的任意一种，在第七种可能实现的方式中，所述MZI滤波器区包含至少两个耦合器和至少两条干涉臂，且至少一条所述干涉臂包含P电极。
结合第一方面或第一方面的第一种至第七种可能的实现方式中的任意一种，在第八种可能实现的方式中，所述耦合器的类型为多模干涉MMI波导、X波导、Y波导中的至少一种。
第二方面，提供了一种信号调节方法，应用于第一方面或第一方面的任意一种实现方式所述的激光器芯片，所述方法包括：在所述DML区加调制电流时，调节所述MZI滤波器区中至少一条干涉臂的注入电流或电压，以调整所述激光器芯片的输出信号。
通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，调节MZI滤波器区中至少一条干涉臂上的注入电流或电压，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
第三方面，提供了一种激光器芯片的制造方法，用于制造第一方面或第一方面的任意一种实现方式所述的激光器芯片，所述方法包括：所述激光器芯片的所述DML区和所述MZI滤波器区的集成采用对接生长BJG、偏移量子阱OQW或量子阱混杂QWI的方式。
通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
结合第三方面的实现方式，在第三方面第一种可能的实现方式中，所述BJG方式包括：一次外延在n-InP层上生长下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；刻蚀掉所述MZI滤波器区的下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；在所述MZI滤波器区重新生长无源芯层。
结合第三方面或第三方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能实现的方式中，所述OQW方式包括：一次外延在n-InP层上生长无源芯层、下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；刻蚀掉所述MZI滤波器区的下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层。
结合第三方面或第三方面的第一种至第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能实现的方式中，所述QWI方式包括：一次外延在n-InP层上生长下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；对所述MZI滤波器区的所述下SCH层、所述多量子阱有源区、所述上SCH层进行离子注入，以获得无源芯层。
结合第三方面或第三方面的第一种至第三种可能的实现方式中的任意一种，在第四种可能实现的方式中，所述DML区和所述MZI滤波器区之间的所述电隔离区的获得方式包括：刻蚀掉所述DML区和所述MZI滤波器区之间的欧姆接触层。
结合第三方面或第三方面的第一种至第四种可能的实现方式中的任意一种，在第五种可能实现的方式中，在刻蚀掉所述DML区和所述MZI滤波器区之间的欧姆接触层之后，所述方法还包括：刻蚀掉与所述欧姆接触层临近的预设深度的p-InP层，或者，使用氦离子注入预设范围内的与所述欧姆接触层临近的p-InP层。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是依据本申请一实施例的激光器芯片100的三维图；
图2是依据本申请一实施例的激光器芯片100的俯视图；
图3是依据本申请一实施例的激光器芯片100的截面图；
图4是依据本申请另一实施例激光器芯片的截面图；
图5是依据本申请一实施例的单个MZI的结构的俯视图；
图6是依据本申请一实施例的采用两个级联的MZI的激光器芯片的俯视图；
图7为依据本申请一实施例的耦合器的类型的示意图；
图8为依据本申请一实施例的单独的DML芯片与DML+MZI滤波器芯片的调制光谱和时域波形图；
图9为依据本申请一实施例的单独的DML芯片与DML+MZI滤波器芯片在背靠背和单模光纤传输20km之后的眼图。
具体实施方式
图1是依据本申请一实施例的激光器芯片100的三维图。图2是依据本申请一实施例的激光器芯片100的俯视图。激光器芯片100包括直调激光器(Directly ModulatedLaser，DML)区1、马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer，MZI)滤波器区3和电隔离区2。电隔离区2在DML区1与MZI滤波器区3之间，DML区1用于作为光源，MZI滤波器区3用于产生滤波效应，电隔离区2用于实现DML区1和MZI滤波器区3的电隔离。MZI滤波器区3包含至少一个MZI。DML区1和MZI滤波器区3通过单片集成的方式存在于激光器芯片100中。
图3是依据本申请一实施例的激光器芯片100的材料结构图。DML区1和MZI滤波器区3共用同一衬底5，DML区1的波导一端通过电隔离区2直接与MZI滤波器区3的一个输入波导相连，形成集成芯片，如图2所示，以及如图3所示的p-InP层12。
DML区1可以为分布反馈(distributed feedback，DFB)激光器或分布布拉格反射(distributed Bragg reflector，DBR)激光器。
如图3所示，当DML区1为DFB激光器时，DML区1的材料结构包括N电极4、衬底5、n-InP层6、下分离限制异质结(separate confinement heterostructure，SCH)层7、多量子阱有源区8、上SCH层9、光栅层10、p-InP层12、欧姆接触层13、P电极14。DFB激光器的腔长可以为80μm到400μm之间。
如图4所示，当DML区1为DBR激光器时，DML区1包括增益区101、DBR区103，以及增益区101和DBR区103之间的电隔离区102。其中，增益区101的材料结构和前文所述的DFB激光器类似，除了没有光栅层10以外，增益区101的材料结构包括N电极4、衬底5、n-InP层6、下分离限制异质结SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9、p-InP层12、欧姆接触层13、P电极14。增益区101的腔长可以为80μm到400μm之间。DBR区103的材料结构包括N电极4、衬底5、n-InP层6、无源芯层11、光栅层10、p-InP层12、欧姆接触层13、P电极14，与MZI滤波器区3类似，除了在无源芯层11和p-InP层12之间多了一层光栅层10。DBR区103可以和MZI滤波器区3通过同一步集成工艺得到。DBR区103的腔长可以为100μm到500μm之间。电隔离区102与前文图3中的电隔离区2相同。
MZI滤波器区3的材料结构包括N电极4、衬底5、n-InP层6、无源芯层11、p-InP层12、欧姆接触层13、P电极14，如图3和图4所示。MZI滤波器区3包含包含至少两个耦合器和至少两条干涉臂，且至少一条干涉臂包含P电极。具体的，当MZI滤波器区只包含一个MZI时，该MZI包含两个耦合器和两条干涉臂，且至少一条干涉臂包含P电极，如图5所示，图5是依据本申请一实施例的MZI滤波器区3为单个MZI的结构的俯视图，其中301为耦合器，303为干涉臂，302为电极。由于前文图2、图3的MZI滤波器区3都只包含了一个MZI，因此，图5可以为图3、图4滤波器区3的俯视图，图5中的302与图3、图4中的P电极14是同一个。当MZI滤波器区3包含至少两个MZI时，至少两个MZI通过级联的方式连接。当MZI滤波器区包含至少两个MZI时，耦合器和干涉臂的数量都大于单个MZI，并且至少一条干涉臂包含P电极，如图6所示，图6是依据本申请一实施例的MZI滤波器区3采用两个级联的MZI的激光器芯片的俯视图。相比于图3、图4只包含一个MZI的情况，图6的激光器芯片由于包含了两个级联的MZI，可以使滤波曲线的调谐范围更大。耦合器301的类型为多模干涉MMI波导、X波导、Y波导中的至少一种，如图7所示。图5中的耦合器为MMI波导，图6中的耦合器为X波导和Y波导。
以上图1至图6实施例仅为本申请的几种实施方式，在其他可能的实施方式中，上述DML区1可以使用三段式DBR激光器，如在DBR激光器的增益区和DBR区之间加一段相位调节区。MZI滤波器区3中可以使用更多级的MZI。MZI中的耦合器301使用不同的类型，等等。
在一种可能的实施方式中，在以上图1、2、3、4、6的MZI滤波器区3的一侧可以再集成一段半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，用来提高激光器芯片的输出功率。
根据本申请实施例提供的激光器芯片，通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
基于前文所描述的激光器芯片，本申请实施例还提供了一种信号调节方法。在DML区加调制电流时，调节MZI滤波器区中至少一条干涉臂上的注入电流或电压，以调整激光器芯片的输出信号。具体的，在DML区加调制电流时，频率啁啾导致“0”、“1”信号的频率不一样，通过调节MZI滤波器区至少一条干涉臂上的注入电流或电压来调节滤波曲线，使用光谱监测使“1”信号所对应的峰值波长(或频率)处强度最高，且“1”信号与“0”信号所对应的峰值波长(或频率)处的强度差相对较大，这时激光器输出消光比大，啁啾小。从而使“1”信号相较于“0”信号在滤波曲线上获得更大的透射率，从而实现低啁啾的目标。
图8为本申请一实施例的单独的DML芯片与DML+MZI滤波器芯片的调制光谱和时域波形图。可以看到，本申请实施例提供的包含DML区和MZI滤波器区的激光器芯片具有更窄的调制光谱和更大的消光比(Extinction Ratio，ER)。此外，图9为本申请一实施例的单独的DML芯片与DML+MZI滤波器芯片在背靠背和单模光纤传输20km之后的眼图，其中光纤色散系数取16.8ps/nm/km。可以看到，本申请实施例提供的包含DML区和MZI滤波器区的激光器芯片在传输20km后眼图依然清晰张开，明显好于单独的DML芯片的眼图。
根据本申请实施例提供的信号调节方法，通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，调节MZI滤波器区中至少一条干涉臂上的注入电流或电压，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
本申请实施例还提供了一种激光器芯片的制造方法，用来制造前文所描述的激光器芯片。该方法包括：激光器芯片的DML区和MZI滤波器区的集成采用对接生长(butt-jointgrowth，BJG)、偏移量子阱(offset quantum well，OQW)或量子阱混杂(quantum wellintermixing，QWI)的方式。
以DML区采用DFB激光器为例，简要描述三种集成方式的工艺过程。
BJG方式：一次外延在衬底5上生长n-InP层6、下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9和光栅层10。刻蚀掉MZI滤波器区3的下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9和光栅层10。之后在MZI滤波器区3二次外延生长无源芯层11。在DFB区的光栅层10制作光栅。三次外延生长p-InP层12和欧姆接触层13。刻蚀出DFB区和MZI滤波器区的脊波导。刻蚀掉隔离区2的欧姆接触层13和部分重掺杂的p-InP层12，如图3中15处所示。生长二氧化硅绝缘层并打开P电极14窗口。衬底5减薄以及制作N电极4、P电极14。
为简化描述，如下两种方式只考虑DFB激光器的下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9与MZI滤波器的无源芯层11的制作过程。
OQW方式：一次外延在n-InP层6上生长无源芯层11、下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9。刻蚀掉MZI滤波器区3的下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9。这样会在DFB激光器区的n-InP层6和下SCH层7之间留下无源芯层11，这里的无源芯层11可以保留，不做处理。
QWI方式：一次外延在n-InP层6上生长下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9。通过对MZI滤波器区3的下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9进行离子注入，以获得无源芯层。进行离子注入的目的是使下SCH层7、多量子阱有源区8、上SCH层9光致发光(photoluminescence，PL)光谱相对于DFB激光器区蓝移30nm以上，使之成为等效的无源芯层11。
此外，DML区和MZI滤波器区之间的电隔离区的获得方式包括：刻蚀掉DML区和MZI滤波器区之间的欧姆接触层。进一步的，还可以继续刻蚀掉与欧姆接触层临近的预设深度的p-InP层，或者，使用氦离子注入预设范围内的与所述欧姆接触层临近的p-InP层。。
根据本申请实施例提供的激光器芯片的制造方法，通过将DML区和MZI滤波器区集成在同一芯片上，降低了激光器的频率啁啾，增大了信号的传输距离。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种激光器芯片，其特征在于，包括直调激光器DML区、马赫-曾德尔干涉仪MZI滤波器区和电隔离区，所述电隔离区在所述DML区与所述MZI滤波器区之间，所述DML区用于作为光源，所述MZI滤波器区用于产生滤波效应，所述电隔离区用于实现所述DML区和所述MZI滤波器区的电隔离；所述MZI滤波器区包含至少一个MZI；所述DML区和所述MZI滤波器区通过单片集成的方式存在于所述芯片中。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述DML区和所述MZI滤波器区通过单片集成的方式存在于所述芯片中，包括：
所述DML区和所述MZI滤波器区共用同一衬底，所述DML区的波导一端通过所述电隔离区直接与所述MZI滤波器区的一个输入波导相连。
3.根据权利要求1或2所述的芯片，其特征在于，所述DML区为分布反馈DFB激光器或分布布拉格反射DBR激光器。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，当所述DML区为DFB激光器时，所述DML区包括N电极、衬底、n-InP层、下分离限制异质结SCH层、多量子阱有源区、上SCH层、光栅层、p-InP层、欧姆接触层、P电极。
5.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，当所述DML区为DBR激光器时，所述DML区包括增益区、DBR区，以及所述增益区和所述DBR区之间的电隔离区；所述增益区包括N电极、衬底、n-InP层、下分离限制异质结SCH层、多量子阱有源区、上SCH层、p-InP层、欧姆接触层、P电极；所述DBR区包括N电极、衬底、n-InP层、无源芯层、光栅层、p-InP层、欧姆接触层、P电极；所述增益区和所述DBR区之间的电隔离区与DML区和MZI滤波器区的电隔离区相同。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的芯片，其特征在于，所述MZI滤波器区包括N电极、衬底、n-InP层、无源芯层、p-InP层、欧姆接触层、P电极。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的芯片，其特征在于，当所述MZI滤波器区包含至少两个MZI时，所述至少两个MZI通过级联的方式连接。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的芯片，其特征在于，所述MZI滤波器区包含至少两个耦合器和至少两条干涉臂，且至少一条所述干涉臂包含P电极。
9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述耦合器的类型为多模干涉MMI波导、X波导、Y波导中的至少一种。
10.一种信号调节方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9任意一项所述的激光器芯片，所述方法包括：在所述DML区加调制电流时，调节所述MZI滤波器区中至少一条干涉臂的注入电流或电压，以调整所述激光器芯片的输出信号。
11.一种激光器芯片的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1至9任意一项所述的激光器芯片，所述方法包括：所述激光器芯片的所述DML区和所述MZI滤波器区的集成采用对接生长BJG、偏移量子阱OQW或量子阱混杂QWI的方式。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述BJG方式包括：一次外延在n-InP层上生长下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；刻蚀掉所述MZI滤波器区的下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；在所述MZI滤波器区重新生长无源芯层。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述OQW方式包括：一次外延在n-InP层上生长无源芯层、下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；刻蚀掉所述MZI滤波器区的下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述QWI方式包括：一次外延在n-InP层上生长下SCH层、多量子阱有源区、上SCH层；对所述MZI滤波器区的所述下SCH层、所述多量子阱有源区、所述上SCH层进行离子注入，以获得无源芯层。
15.根据权利要求11至14任意一项所述的方法，其特征在于，所述DML区和所述MZI滤波器区之间的所述电隔离区的获得方式包括：刻蚀掉所述DML区和所述MZI滤波器区之间的欧姆接触层。。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在刻蚀掉所述DML区和所述MZI滤波器区之间的欧姆接触层之后，所述方法还包括：刻蚀掉与所述欧姆接触层临近的预设深度的p-InP层，或者，使用氦离子注入预设范围内的与所述欧姆接触层临近的p-InP层。
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Citations (13)

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