CN114156732A - 一种激光芯片及光模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供的激光芯片及光模块中，激光芯片集成有增益区、光栅区和电吸收调制区，增益区产生光束，光栅区对光束进行波长调谐；电吸收调制区的量子阱具有特殊的结构设计，保证优良的传输性能，进一步提高信号调制速度；同时量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层；本申请实施例中的电吸收调制区通过特殊设计进而实现25G信号调制速度，满足10公里传输距离要求。因此，本申请实施例中的激光芯片为一款集成增益、波长可调节、电信号调制功能于一身的芯片。

Description

一种激光芯片及光模块

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种激光芯片及光模块。

背景技术

在当今光纤传输系统中，对光源的要求越来越高。高速、高集成度、波长可调谐的光源一直是业界研究的热点，其中与电吸收调制器集成的激光芯片随之而出，与电吸收调制器集成的激光芯片中存在这样的技术问题：一，信号调制速度基本上在10G处，不能达到25G的高信号调制速度，进而不能满足10公里传输需求；二，不能集成波长调节功能，导致在密集波分复用系统中大量不同信号的光源需要同时启用及维护。

发明内容

本申请实施例提供了一种激光芯片及光模块，通过将增益、波长可调节、电信号调制功能集成到一款芯片中，进而实现25G信号调制速度且8nm以上波长调节范围。

本申请实施例提供的一种激光芯片，包括：

增益区，用于产生光束；

光栅区，用于对来自所述增益区的光束进行波长调谐；

电吸收调制区，包括量子阱，所述量子阱包括相互堆叠的量子阱衬底层、第一异质结层、势阱和势垒层、第二异质结层、回置层和量子阱顶层，其中所述量子阱衬底层和金属电极之间、所述回置层和金属电极之间、所述量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层，用于对来自所述光栅区的光束进行信号调制。

本申请实施例提供的光模块包括上述激光芯片。

有益效果：本申请提供的激光芯片及光模块中，激光芯片集成有增益区、光栅区和电吸收调制区，增益区产生光子且被放大，光栅区对被放大的光波进行选频，电吸收调制区对特定的波长进行调制，然后实现特定波长激光的输出；光栅区可输出不同波长的光束；且电吸收调制区的量子阱具有特殊的结构设计，保证优良的传输性能，进一步提高信号调制速度；同时量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层，二氧化硅层的设置可以调整芯片电容，获得较小的寄生电容，进一步提高信号调制速度；本申请实施例中的电吸收调制区通过特殊设计进而实现25G信号调制速度，满足10公里传输距离要求。因此，本申请实施例中的激光芯片为一款集成增益、波长可调节、电信号调制功能于一身的芯片，对光纤传输系统有着重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本公开中的技术方案，下面将对本公开一些实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，以下描述中的附图可以视作示意图，并非对本公开实施例所涉及的产品的实际尺寸、方法的实际流程、信号的实际时序等的限制。

图1为根据一些实施例的一种光通信系统的连接关系图；

图2为根据一些实施例的一种光网络终端的结构图；

图3为根据一些实施例的一种光模块的结构图；

图4为根据一些实施例的一种光模块的分解图；

图5为根据一些实施例的一种激光芯片的外观示意图；

图6为根据一些实施例的一种激光芯片的外沿生长结构示意图；

图7为根据一些实施例的激光芯片中电吸收调制区的量子阱结构示意图；

图8为根据一些实施例的一种激光芯片的调制速度示意图；

图9为根据一些实施例的一种激光芯片波长随注入电流的变化示意图；

图10为根据一些实施例的一种激光芯片的制作工艺示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本公开一些实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开所提供的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非上下文另有要求，否则，在整个说明书和权利要求书中，术语“包括(comprise)”及其其他形式例如第三人称单数形式“包括(comprises)”和现在分词形式“包括(comprising)”被解释为开放、包含的意思，即为“包含，但不限于”。在说明书的描述中，术语“一个实施例(one embodiment)”、“一些实施例(some embodiments)”、“示例性实施例(exemplary embodiments)”、“示例(example)”、“特定示例(specific example)”或“一些示例(some examples)”等旨在表明与该实施例或示例相关的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施例或示例中。上述术语的示意性表示不一定是指同一实施例或示例。此外，所述的特定特征、结构、材料或特点可以以任何适当方式包括在任何一个或多个实施例或示例中。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在描述一些实施例时，可能使用了“耦接”和“连接”及其衍伸的表达。例如，描述一些实施例时可能使用了术语“连接”以表明两个或两个以上部件彼此间有直接物理接触或电接触。又如，描述一些实施例时可能使用了术语“耦接”以表明两个或两个以上部件有直接物理接触或电接触。然而，术语“耦接”或“通信耦合(communicatively coupled)”也可能指两个或两个以上部件彼此间并无直接接触，但仍彼此协作或相互作用。这里所公开的实施例并不必然限制于本文内容。

“A、B和C中的至少一个”与“A、B或C中的至少一个”具有相同含义，均包括以下A、B和C的组合：仅A，仅B，仅C，A和B的组合，A和C的组合，B和C的组合，及A、B和C的组合。

“A和/或B”，包括以下三种组合：仅A，仅B，及A和B的组合。

本文中“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。

如本文所使用的那样，“约”、“大致”或“近似”包括所阐述的值以及处于特定值的可接受偏差范围内的平均值，其中所述可接受偏差范围如由本领域普通技术人员考虑到正在讨论的测量以及与特定量的测量相关的误差(即，测量系统的局限性)所确定。

光通信技术中，使用光携带待传输的信息，并使携带有信息的光信号通过光纤或光波导等信息传输设备传输至计算机等信息处理设备，以完成信息的传输。由于光信号通过光纤或光波导中传输时具有无源传输特性，因此可以实现低成本、低损耗的信息传输。此外，光纤或光波导等信息传输设备传输的信号是光信号，而计算机等信息处理设备能够识别和处理的信号是电信号，因此为了在光纤或光波导等信息传输设备与计算机等信息处理设备之间建立信息连接，需要实现电信号与光信号的相互转换。

光模块在光纤通信技术领域中实现上述光信号与电信号的相互转换功能。光模块包括光口和电口，光模块通过光口实现与光纤或光波导等信息传输设备的光通信，通过电口实现与光网络终端(例如，光猫)之间的电连接，电连接主要用于实现供电、I2C信号传输、数据信号传输以及接地等；光网络终端通过网线或无线保真技术(Wi-Fi)将电信号传输给计算机等信息处理设备。

图1为根据一些实施例的一种光通信系统的连接关系图。如图1所示，光通信系统主要包括远端服务器1000、本地信息处理设备2000、光网络终端100、光模块200、光纤101及网线103。

光纤101的一端连接远端服务器1000，另一端通过光模块200与光网络终端100连接。光纤本身可支持远距离信号传输，例如数千米(6千米至8千米)的信号传输，在此基础上如果使用中继器，则理论上可以实现超长距离传输。因此在通常的光通信系统中，远端服务器1000与光网络终端100之间的距离通常可达到数千米、数十千米或数百千米。

网线103的一端连接本地信息处理设备2000，另一端连接光网络终端100。本地信息处理设备2000可以为以下设备中的任一种或几种：路由器、交换机、计算机、手机、平板电脑、电视机等。

远端服务器1000与光网络终端100之间的物理距离大于本地信息处理设备2000与光网络终端100之间的物理距离。本地信息处理设备2000与远端服务器1000的连接由光纤101与网线103完成；而光纤101与网线103之间的连接由光模块200和光网络终端100完成。

光模块200包括光口和电口。光口被配置为与光纤101连接，从而使得光模块200与光纤101建立双向的光信号连接；电口被配置为接入光网络终端100中，从而使得光模块200与光网络终端100建立双向的电信号连接。光模块200实现光信号与电信号的相互转换，从而使得光纤101与光网络终端100之间建立连接。示例的，来自光纤101的光信号由光模块200转换为电信号后输入至光网络终端100中，来自光网络终端100的电信号由光模块200转换为光信号输入至光纤101中。

光网络终端100包括大致呈长方体的壳体(housing)，以及设置在壳体上的光模块接口102和网线接口104。光模块接口102被配置为接入光模块200，从而使得光网络终端100与光模块200建立双向的电信号连接；网线接口104被配置为接入网线103，从而使得光网络终端100与网线103建立双向的电信号连接。光模块200与网线103之间通过光网络终端100建立连接。示例的，光网络终端100将来自光模块200的电信号传递给网线103，将来自网线103的信号传递给光模块200，因此光网络终端100作为光模块200的上位机，可以监控光模块200的工作。光模块200的上位机除光网络终端100之外还可以包括光线路终端(OpticalLine Terminal，OLT)等。

远端服务器1000通过光纤101、光模块200、光网络终端100及网线103，与本地信息处理设备2000之间建立了双向的信号传递通道。

图2为根据一些实施例的一种光网络终端的结构图，为了清楚地显示光模块200与光网络终端100的连接关系，图2仅示出了光网络终端100的与光模块200相关的结构。如图2所示，光网络终端100中还包括设置于壳体内的PCB电路板105，设置在PCB电路板105的表面的笼子106，以及设置在笼子106内部的电连接器。电连接器被配置为接入光模块200的电口；散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起部。

光模块200插入光网络终端100的笼子106中，由笼子106固定光模块200，光模块200产生的热量传导给笼子106，然后通过散热器107进行扩散。光模块200插入笼子106中后，光模块200的电口与笼子106内部的电连接器连接，从而光模块200与光网络终端100建立双向的电信号连接。此外，光模块200的光口与光纤101连接，从而光模块200与光纤101建立双向的电信号连接。

图3为根据一些实施例的一种光模块的结构图，图4为根据一些实施例的一种光模块的分解图。如图3和图4所示，光模块200包括壳体、设置于壳体中的电路板105及光收发器件。

壳体包括上壳体201和下壳体202，上壳体201盖合在下壳体202上，以形成具有两个开口204和205的上述壳体；壳体的外轮廓一般呈现方形体。

在本公开一些实施例中，下壳体202包括底板以及位于底板两侧、与底板垂直设置的两个下侧板；上壳体201包括盖板，以及位于盖板两侧与盖板垂直设置的两个上侧板，由两个侧壁与两个侧板结合，以实现上壳体201盖合在下壳体202上。

两个开口204和205的连线所在方向可以与光模块200的长度方向一致，也可以与光模块200的长度方向不一致。示例地，开口204位于光模块200的端部(图3的左端)，开口205也位于光模块200的端部(图3的右端)。或者，开口204位于光模块200的端部，而开口205则位于光模块200的侧部。其中，开口204为电口，电路板105的金手指从开口204伸出，插入上位机(如光网络终端100)中；开口205为光口，配置为接入外部的光纤101，以使光纤101连接光模块200内部的光收发器件。

采用上壳体201、下壳体202结合的装配方式，便于将电路板105、光收发器件等器件安装到壳体中，由上壳体201、下壳体202可以对这些器件形成封装保护。此外，在装配电路板105等器件时，便于这些器件的定位部件、散热部件以及电磁屏蔽部件的部署，有利于自动化的实施生产。

在一些实施例中，上壳体201及下壳体202一般采用金属材料制成，利于实现电磁屏蔽以及散热。

在一些实施例中，光模块200还包括位于其壳体外壁的解锁部件203，解锁部件203被配置为实现光模块200与上位机之间的固定连接，或解除光模块200与上位机之间的固定连接。

示例地，解锁部件203位于下壳体202的两个下侧板的外壁，包括与上位机的笼子(例如，光网络终端100的笼子106)匹配的卡合部件。当光模块200插入上位机的笼子里，由解锁部件203的卡合部件将光模块200固定在上位机的笼子里；拉动解锁部件203时，解锁部件203的卡合部件随之移动，进而改变卡合部件与上位机的连接关系，以解除光模块200与上位机的卡合关系，从而可以将光模块200从上位机的笼子里抽出。

电路板105包括电路走线、电子元件及芯片，通过电路走线将电子元件和芯片按照电路设计连接在一起，以实现供电、电信号传输及接地等功能。电子元件例如可以包括电容、电阻、三极管、金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。芯片例如可以包括微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、限幅放大器(limiting amplifier)、时钟数据恢复芯片(Clock and Data Recovery，CDR)、电源管理芯片、数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片。

电路板105一般为硬性电路板，硬性电路板由于其相对坚硬的材质，还可以实现承载作用，如硬性电路板可以平稳的承载芯片；硬性电路板还可以插入上位机笼子中的电连接器中。

电路板105还包括形成在其端部表面的金手指，金手指由相互独立的多个引脚组成。电路板105插入笼子106中，由金手指与笼子106内的电连接器导通连接。金手指可以仅设置在电路板105一侧的表面(例如图4所示的上表面)，也可以设置在电路板105上下两侧的表面，以适应引脚数量需求大的场合。金手指被配置为与上位机建立电连接，以实现供电、接地、I2C信号传递、数据信号传递等。当然，部分光模块中也会使用柔性电路板。柔性电路板一般与硬性电路板配合使用，以作为硬性电路板的补充。

在硅光结构的光模块中还包括硅光芯片400，硅光芯片400自身没有光源，光源组件500用作硅光芯片400的外置光源。光源组件500可选用激光盒，激光盒内部封装激光芯片，激光芯片发光产生激光束，光源组件500用于向硅光芯片400提供发射激光，激光以较好的单波长特性及较佳的波长调谐特性成为光模块乃至光纤传输的首选光源，而其他类型的光如LED光等，常见的光通信系统一般不会采用，即使特殊的光通信系统中采用了这种光源，其光源的特性及芯片部件与激光存在较大的差别，使得采用激光的光模块与采用其他光源的光模块存在较大的技术差别，本领域技术人员一般不会认为这两种类型的光模块可以相互给与以技术启示。

硅光芯片400的底面与光源组件500的底面分别设置在衬底上，硅光芯片与光源之间具有光连接，光路对硅光芯片及光源之间的位置关系非常敏感，不同膨胀系数的材料对导致不同程度的形变，不利于预设光路的实现；在本申请实施例中，将硅光芯片及光源设置在同一衬底上，同一材料的衬底发生形变，将等同的影响硅光芯片及光源的位置，避免对硅光芯片与光源的相对位置产生较大的改变；将衬底材料的膨胀系数与硅光芯片和和/或光源材质的膨胀系数相近为优选，硅光芯片的主材料是硅，光源可以采用可伐金属，衬底一般选用硅或玻璃等。

衬底与电路板105的关系有很多种，其中一种方式如图4所示，电路板105具有贯穿上下表面的开口，硅光芯片和/或光源设置在开口中，如此，硅光芯片和/或光源可以向电路板上表面及电路板下表面方式同时进行扇热，衬底设置在电路板的一侧，硅光芯片和/或光源穿过电路板的开口进而放置在散热衬底上，衬底起到承托及散热效果；另一种方式中，电路板不设置开口，衬底设置在电路板上，具体可以是衬底设置在电路板表面或嵌入电路板中，硅光芯片和光源设置在衬底表面。

光源组件500的底面设置在衬底上，光源组件500通过侧面出光，其发出的光进入硅光芯片400中。硅光芯片采用硅为主要的基材，而硅不是理想的发光材料，硅光芯片400内无法集成光源，需要外部的光源组件500提供光源。光源组件500向硅光芯片提供的光为波长单一、功率稳定的发射光，不携带任何数据，由硅光芯片400对该发射光进行调制，以实现将数据加载到发射光中。

硅光芯片400的底面设置在衬底上，硅光芯片400的侧面接收来自光源的发射光；发射光的调制以接收光的解调由硅光芯片完成，硅光芯片的表面设置有与电路板打线电连接的焊盘；具体地，电路板向硅光芯片提供来自上位机的数据信号，由硅光芯片将数据信号调制到发射光中，来自外部的接收光经硅光芯片解调成电信号后，通过电路板输出至上位机中。

第一光纤带600和第二光纤带700均是由多根光纤合并而成；在本申请实施例中，第一光纤带600为发射光纤带，第二光纤带700为接收光纤带；第一光纤带600的一端与硅光芯片400连接，另一端与光纤接口800连接；第二光纤带700的一端与硅光芯片400连接，另一端与光纤接口800连接；光纤接口800与外部光纤连接。可以看出，硅光芯片400与光纤接口800之间是通过第一光纤带600、第二光纤带700实现光连接，光纤接口800实现与光模块外部光纤的光连接。

光源组件500将不携带信号的发射光传输至硅光芯片400中，硅光芯片400对不携带信号的发射光进行调制，具体是将数据加载到不携带信号的发射光中，进而将不携带信号的发射光调制为携带数据信号的发射光，该携带数据信号的发射光经过第一光纤带600传输至光纤接口800处，通过光纤接口800传输至外部光纤中，从而将携带数据信号的光传输至光模块外部光纤中，实现将电信号转换为光信号。

来自外部光纤的光信号传输至光纤接口800处，然后通过第二光纤带700将该光信号传输至硅光芯片400中，硅光芯片400将该光信号解调为电信号，通过电路板输出至上位机中，实现将光信号转换为电信号。

本申请实施例中的光源组件500包括激光芯片，本申请实施例中的激光芯片表面集成有增益区、光栅区和电吸收调制区，增益区产生光子且被放大，光栅区对被放大的光波进行选频，电吸收调制区对特定的波长进行调制，然后实现特定波长激光的输出；通过改变注入光栅区的电流大小，可以实现光栅区波导折射率连续变化，从而输出不同波长的光束；电吸收调制区长度设计较长，足够长的电吸收调制区才能保证足够的电吸收能力，保证器件反应速度足够快，提高信号调制速度，且电吸收调制区的量子阱具有特殊的结构设计，保证优良的传输性能，进一步提高信号调制速度；同时量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层，二氧化硅层的设置可以调整芯片电容，获得较小的寄生电容，进一步提高信号调制速度；本申请实施例中的电吸收调制区通过特殊设计进而实现25G信号调制速度，满足10公里传输距离要求。因此，本申请实施例中的激光芯片为一款集成增益、波长可调节、电信号调制功能于一身的芯片，对光纤传输系统有着重要的意义。

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

图5为根据一些实施例的一种激光芯片的外观示意图；图6为根据一些实施例的一种激光芯片的外沿生长结构示意图。

如图5所示，本申请实施例中激光芯片表面包括增益区、光栅区和电吸收调制区，增益区和电吸收调制区分别位于两个端侧，光栅区位于增益区和电吸收调制区之间；增益区产生光子且被放大，光栅区对被放大的光波进行选频，电吸收调制区对特定的波长进行调制，然后实现特定波长激光的输出。电吸收调制区可以改变自身的光的吸收损耗大小，进而实现对光信号的调制。点吸收调制区包括量子阱结构，量子阱结构时由不同禁带宽度的材料，一层一层相互堆叠在一起而形成的。

在增益区和光栅区之间设有第一隔离区，光栅区与电吸收调制区之间设有第二隔离区。如图5所示，增益区的长度为375μm，光栅区的长度为150μm，电吸收调制区的长度为110μm，第一隔离区的长度为45μm，第二隔离区的长度为80μm。

如图6所示，增益区包括至下而上相互堆叠的InP垫层、波导层、增益量子阱结构层和p型掺杂InP层，分别对应图6左侧增益区中的n-InP substate,buffer layers层、waveguide层、Gain MQW/SCH layers层、P-InP clad层。

光栅区包括至下而上相互堆叠的InP垫层、光栅层和波导层，分别对应图6中间光栅区中的n-InP substate,buffer layers层、Grating layer层和waveguide层。

电吸收调制区包括至下而上相互堆叠的InP垫层和电吸收调制量子阱结构层，分别对应图6右侧电吸收调制区的n-InP substate,buffer layers层和Gain MQW/SCHlayers层。

在本申请实施例中，为了方便描述按照从上至下的方向定义第一层、第二层等。增益区的第一层、第二层、第三层和第四层分别为p型掺杂InP层、增益量子阱结构层、波导层和InP垫层；光栅区的第一层和第二层为空，第三层为波导层，第四层为光栅层，第五层为InP垫层；电吸收调制区的第一层和第二层为空，第三层和第四层为电吸收调制量子阱结构层，第五层为InP垫层。可以看出，光栅区和电吸收调制区对应的第一层和第二层为空白，即增益区的第一层和第二层向右方向为空白，图6中增益区位于左侧，电吸收调制区位于右侧。从而可以看出，本申请实施例中，增益区与光栅区采用了创新的侧向耦合工艺，而非传统的尾接生长工艺，从而减少了一次外沿生长的需要。

从增益区量子阱产生的光，最后会侧向流入波导层，在光栅区进行波长选择。

本申请实施例提供了侧向耦合技术，减小了增益区向波长调节区的损耗，同时简化工艺流程。

本申请实施例中，光栅区包括光栅层和波导层，光栅层(图中标注grating材料)为光致发光峰值为1250nm的InGaAsP材料，厚度为300A；波导层为光致发光峰值为1380nm的InGaAsP材料，厚度为2900A，波导层轻掺杂2X1017/立方厘米。本申请实施例中材料厚度的设置需满足波长调制范围要求且光传播损耗小。

通过改变注入光栅区的电流大小以输出不同波长的光束，本申请实施例中光栅为分布式布拉格反射光栅，整个光源芯片只做一次全息曝光形成光栅，因此光栅的周期固定；通过改变注入光栅区的电流大小，可以实现光栅区波导折射率连续变化，从而实现光栅通带的连续变化，选择出目标波长对应的法布里珀罗模式。

相对于机械调谐和热调谐进行波长调节，电调谐进行波长调节具有更大的波长调节范围，且具有更快的波长切换速度，更能够满足光纤通信对激光器的需求。电调谐即通过对光栅区注入载流子从而改变其材料的折射率来实现的。

图9为根据一些实施例的一种激光芯片波长随注入电流的变化示意图；如图9所示，本申请实施例中的激光芯片在注入电流50mA时，实现波长变化11nm左右，可以覆盖8nm波长变化量需求并有余量。

综述，本申请实施例的激光芯片中，通过改变注入光栅区的电流大小，可以实现光栅区波导折射率连续变化，从而输出不同波长的光束。

在本申请实施例中，为了使激光芯片实现电调制速率在25GHz，满足传输距离要求10公里的要求，本申请实施例中针对电吸收调制区有如下特殊结构：

在一些实施例中，电吸收调制区的电子阱结构的材料由电吸收区整体光致发光峰位置决定，经反复试验，其值为目标波长减去60nm，有且只有在这个设计值附近时，传输性能优化。图7为根据一些实施例的激光芯片中电吸收调制区的量子阱结构示意图；如图7所示，量子阱包括相对堆叠的量子阱衬底层、第一异质结层、势阱和势垒层、第二异质结层、回置层和量子阱顶层，其中所述量子阱衬底层和金属电极之间、所述回置层和金属电极之间、所述量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层。各层的参数如下：

其中量子阱衬底层为n型InP衬底；之上是第一异质结层，采用材料为光致发光峰1170nm的InGaAsP材料，厚度为420A(1A为十的负十次方米)；之上是8组势阱和8组势垒，其中8组势阱的厚度为90A，设计中要求势阱区有0.7％的压缩；8组势垒的厚度为50A，材料为光致发光峰1170nm的InGaAsP材料，设计中要求势垒区有0.3％的松弛；再之上是第二异质结层，其参数与第一异质结层相同；再之上是一层800A的InP回置层，用来稀释上层流入的掺杂；最上面是p型InP材料。

在一些实施例中，电吸收调制区长度为110um，足够长的电吸收调制区长度可以保证足够的电吸收能力，使得器件的消光比满足应用要求；足够长的电吸收调制区长度可以较小的电容，较小的时间参数，从而提高器件反应速度。

在一些实施例中，量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层；量子阱衬底层、回置层和量子阱顶层的材料均为InP材料，在芯片InP材料和金属电极之间，填充更厚的二氧化硅材料可以调整芯片电容；本申请实施例中二氧化硅层采用5000A厚的二氧化硅，以得到较小的寄生电容，提高器件速度。图8为根据一些实施例的一种激光芯片的调制速度示意图；如图8所示，S21的3dB带宽更是超过17GHz，此数值可以满足25G调制以及传输应用。

综述，本申请实施例中的激光芯片中，电吸收调制区长度设计较长，足够长的电吸收调制区才能保证足够的电吸收能力，保证器件反应速度足够快，提高信号调制速度，且电吸收调制区的量子阱具有特殊的结构设计，保证优良的传输性能，进一步提高信号调制速度；同时量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层，二氧化硅层的设置可以调整芯片电容，获得较小的寄生电容，进一步提高信号调制速度；本申请实施例中的电吸收调制区通过特殊设计进而实现25G信号调制速度，满足10公里传输距离要求。

本申请实施例中，将增益、波长调节、电信号调制三个功能集中到一款激光芯片上，同时要适用于大规模制造，形成简便可靠的工艺流程，已经成为最主要以及最瓶颈的问题。为此，本申请实施例提供了一种激光芯片的制备工艺。

本申请实施例中，增益区与光栅区采用了创新的侧向耦合工艺，而非传统的尾接生长工艺，从而减少了一次外沿生长的需要。图10为根据一些实施例的一种激光芯片的制作工艺示意图，如图10所示，其具体方法为：

一：图10(1)所示为基底晶圆，其中只有光栅波导层。通过全息曝光方法形成光栅，并将无光栅区域刻蚀，形成图10(2)形态。

二：进行外沿生长，依次生长InP材料垫层，波导层(材料为光致发光峰为1380nm的InGaAsP材料，2900A)，InP材料停止层，以及增益区的量子阱结构，然后是p型掺杂的InP材料，最后是一层光致发光峰为1250的InGaAsP材料，形成如图10(3)形态。

三：在晶圆上生长二氧化硅薄层，通过干法刻蚀，去除光栅区和电吸收区的二氧化硅层，通过选择性湿法刻蚀，去掉光栅区和电吸收区的光致发光峰为1250的InGaAsP材料以及p型掺杂的InP材料，再去掉全部二氧化硅后，形成图10(4)。

四：通过选择性湿法刻蚀，仅刻蚀InGaAsP材料，不刻蚀InP材料，可以将增益区光致发光峰为1250的InGaAsP材料以及光栅区和电吸收区的增益量子阱结构去除，从而形成图10(5)的形状。此时，从增益区量子阱产生的光，最后会侧向流入波导层，在光栅区进行波长选择。最后，在光栅区和电吸收区进行传统的尾接工艺刻蚀和生长，形成图10(6)形状。

本设计提供了经验证的工艺流程：采用侧向耦合技术，减小了增益区向波长调节区的损耗，同时简化工艺流程，减少了外沿生长次数，适用于批量生产。

本申请提供的激光芯片及光模块中，激光芯片集成有增益区、光栅区和电吸收调制区，通过改变注入光栅区的电流大小，可以实现光栅区波导折射率连续变化，从而输出不同波长的光束；电吸收调制区的量子阱具有特殊的结构设计，保证优良的传输性能，进一步提高信号调制速度；同时量子阱衬底层和金属电极之间、回置层和金属电极之间、量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层；本申请实施例中的电吸收调制区通过特殊设计进而实现25G信号调制速度，满足10公里传输距离要求。因此，本申请实施例中的激光芯片为一款集成增益、波长可调节、电信号调制功能于一身的芯片。

本申请实施例提供的激光芯片，第一方面，可以实现25G信号调制速度，可以满足高速光纤通信网络对25G光源的需求；第二方面，可实现8nm以上波长调节范围，且技术可移植至各种波长，不仅限于密集波分复用应用；第三方面，面对复杂的功能集成需求，本申请实施例提供了经验证的工艺流程：采用侧向耦合技术，减小了增益区向波长调节区的损耗，同时简化工艺流程，减少了外沿生长次数，适用于批量生产。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种激光芯片，其特征在于，包括：

增益区，用于产生光束；

光栅区，用于对来自所述增益区的光束进行波长调谐；

电吸收调制区，包括量子阱，所述量子阱包括相互堆叠的量子阱衬底层、第一异质结层、势阱和势垒层、第二异质结层、回置层和量子阱顶层，其中所述量子阱衬底层和金属电极之间、所述回置层和金属电极之间、所述量子阱顶层和金属电极之间均填充有二氧化硅层，用于对来自所述光栅区的光束进行信号调制。

2.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述增益区包括相互堆叠的InP垫层、波导层、增益量子阱结构层和p型掺杂InP层；

所述光栅区包括相互堆叠的InP垫层、光栅层和波导层；

所述电吸收调制区包括相互堆叠的InP垫层和量子阱结构层；

其中，所述光栅区的波导层为所述光栅区的顶层，所述电吸收调制区的量子阱结构层为所述电吸收调制区的顶层；

所述增益区的波导层、所述光栅区的波导层和所述电吸收调制区的量子阱结构层处于同一层。

3.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述增益区与所述光栅区之间设置有第一隔离区，所述光栅区与所述电吸收调制区之间设有第二隔离区。

4.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述量子阱衬底层为n型InP衬底，所述第一异质结层、势阱和势垒层、第二异质结层均设为光致发光峰为1170nm的InGaAsP材料，所述回置层为InP材料，所述量子阱顶层为p型InP材料；

其中所述势阱和势垒层包括势阱区和势垒区，所述势阱区具有0.6-0.8％的压缩量，且包括8组势阱，所述势垒区具有0.2-0.4％的松弛量且包括8组势垒。

5.根据权利要求4所述的激光芯片，其特征在于，所述增益区长度为375μm，所述光栅区长度为150μm，所述电吸收调制区长度为110μm，所述第一隔离区长度为45μm，所述第二隔离区长度为80μm。

6.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述光栅区包括光栅层和波导层，所述光栅层材料为光致发光峰值为1250nm的InGaAsP材料，厚度为300A，所述波导层材料为光致发光峰值为1380nm的InGaAsP材料，厚度为2900A。

7.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为5000A。

8.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述光栅层为全息曝光而成的分布式布拉格反射光栅。

9.一种光模块，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的激光芯片。

Images