CN115313139A - 一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，S1、在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻，或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长薄膜电阻；S2、计算串并联可调谐激光器阵列中需不同单一电源的各个激光器、合波、光放大器的供电方案；S3、通过控制薄膜电阻阻值的大小，实现电流在串并联可调谐激光器阵列中的分配，对串并联可调谐激光器阵列中的激光器、合波、光放大器使用单一电源进行加电。大幅缩减了串并联激光器的电流源数量，从而为串并联激光器的进一步应用减轻系统复杂程度。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法。
背景技术
串并联激光器通过选择激射波长和控制激光器激射的温度可以实现波长可调谐，在诸多应用领域中，使用波分复用的光接入网或相干光通信网，需要激光器阵列来实现灵活的波长配置；光学相干断层扫描成像、光频域反射计等系统，需要激光器阵列实现波长扫描来进行相关检测；光控相控阵雷达需要激光器阵列产生一系列波长的串行光脉冲，实现串馈型光控相控阵列；光纤传感系统中需要激光器阵列作为光源，产生宽带多波长光源，从而检测被测场的时空行为。
串并联激光器需要外部施加电源，以4颗激光器串联，同时并联4个这种串联结构为例。阵列前部一般集成有源合波、半导体光放大器单元，可调谐阵列工作时，有源合波和半导体光放大器都需要注入电流，工作时每次只点亮一颗激光器，但是同一根波导前面的激光器需要分别注入小电流补偿材料本征吸收损耗和波导散射损耗。因此每一颗激光器都需要一个电流源。因此对于这种结构，至少需要6路电流源结合电开关(实现电流源在不同波导的切换)才开始实现完整供电。
但是电流源数量的增长意味着周围控制电路面积提升，也意味着系统的控制复杂度提升，同时表示系统的成本也相应提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，通过激光器表面或在激光器载体上生产电阻从而实现单一电源供电，大大减少了激光器的供电数目，从而推动串并联激光器的相关应用。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，包括：
S1、在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻，或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长薄膜电阻；
S2、计算串并联可调谐激光器阵列中需不同单一电源的各个激光器、合波、光放大器的供电方案；
S3、通过控制薄膜电阻阻值的大小，实现电流在串并联可调谐激光器阵列中的分配，对串并联可调谐激光器阵列中的激光器、合波、光放大器使用单一电源进行加电。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的S1中的电阻连接在各个激光器之间。
上述的S1中在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成钛铂薄膜电阻，并与相应的激光器电极相连；
或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长氮化钽薄膜电阻与相应的激光器电极连接。
上述的S2中通过基尔霍夫定律、叠加定律、等效定律将激光器等效为二极管与电阻串联模型后进行供电方案计算。
上述的S3在加电时向激射的激光器注入激射电流，其余激光器注入透明电流用以补偿材料的本征吸收损耗和波导的散射损耗。
本发明具有以下有益效果：
通过对加电方案进行相关分析，在激光器表面和激光器薄膜电路载体表面进行薄膜电阻生长，从而单电源供电，通过电流分配，完成对各部分的不同数值的电流注入。大幅缩减了串并联激光器的电流源数量，从而为串并联激光器的进一步应用减轻系统复杂程度，同时本发明也可用于其他多电源半导体供电情况。
附图说明
图1为本发明串并联可调谐激光器阵列的优化加电原理图；
图2为本发明在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻方案；
图3为本发明在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长薄膜电阻方案；
图4为本发明实施例中三电源加电测试结果；
图5为本发明实施例中芯片上薄膜电阻测试结果；
图6为本发明实施例中热沉上薄膜电阻测试结果；
图7为本发明串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图7，一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，包括：
S1、在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻，或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路(载体)上生长薄膜电阻；
即包括串联激光器芯片生长薄膜电阻方案、串联激光器载体上生长电阻方案：在激光器生长时引入电阻或在激光器贴片在载体时引入电流分布电阻；
在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成钛铂薄膜电阻，并与相应的激光器电极相连；
或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路(载体)上生长氮化钽薄膜电阻与相应的激光器电极连接。
即电阻在激光器生长过程中与一次电极工艺步骤，形成钛铂薄膜电阻，并与相应的激光器电极相连；或采用在激光器载体上生长氮化钽薄膜电阻与相应的激光器电极连接。
S2、通过电流分布公式计算串并联可调谐激光器阵列中需不同单一电源的各个激光器、合波、单片集成光放大器等的供电方案；
通过基尔霍夫定律、叠加定律、等效定律将激光器等效为二极管与电阻串联模型后进行电流分布公式计算。
所述的二极管、电阻均为理想模型。
S3、通过控制薄膜电阻阻值的大小，实现电流在串并联可调谐激光器阵列中的分配，对串并联可调谐激光器阵列中的激光器、合波、光放大器使用单一电源进行加电。
在加电时需考虑主要向激射的激光器注入激射电流，其余激光器注入小电流(透明电流)用以补偿材料的本征吸收损耗和波导的散射损耗。
串并联可调谐激光器阵列往往包含激光器阵列，有源合波，半导体光放大器，工作时都需要注入相应的电流，通过本发明电阻电流分配机理，可以对串并联可调谐激光器阵列阵列中的激光器，合波，光放大器单元使用单一电源进行加电，大幅缩减了串并联可调谐激光器阵列的电流源数量，从而为串并联可调谐激光器阵列的进一步应用减轻系统复杂程度，同时本发明也可用于其他多电源半导体供电情况。
原理说明、实施例及应用测试结果如下：
通过本发明方法得到的串并联可调谐激光器阵列等效模型如图1所示，在如图1所示的串并联可调谐激光器阵列等效模型中，将激光器等效为二极管与电阻组合，激光器之间通过电阻相连。
图1中，101、012、103、104为激光器理想等效二极管，四个二极管为一致参数，存在开启电压V；201、202、203、204为激光器等效电阻，四个电阻阻值相同为R；301、302、303、304为激光器阵列引入的薄膜电阻，其阻值通过控制薄膜电阻的长宽控制，阻值分别为R1、R2、R3、R4。
假设激光器采用共阴极结构，为401连接处，同时402、403、404、405为外部电流源电注入处。
若电流分配比例为X时，由基尔霍夫定律、叠加定律，等效定律，可得到下面的相关公式：
XR-XR1＝R2+R＝R3+R＝R4+R
XR-XR2＝R1+R＝R3+R＝R4+R
XR-XR3＝R1+R＝R2+R＝R4+R
XR-XR4＝R1+R＝R2+R＝R3+R
(X-1)R＝(X+1)R1＝(X+1)R2＝(X+1)R3＝(X+1)R4
由此在估计理想二极管的开启电压以及激光器等效电阻的阻值后，可以推导出需要引入的电流分配电阻阻值的大小。
(1)在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻的步骤如下：
如图2所示，在激光器材料生长过程中引入电阻，以分布式反馈激光器为例，其外延材料由两次金属有机薄膜生长化学气相沉积(MOCVD),首先，一个n-InP缓冲区n-InAlGaAs下光学约束层InAlGaAs多量子阱(MQW)结构、pInGaAsP上部光学约束层和p-InGaAsP在InP衬底上连续生长光栅层，采用传统光栅方法，全息曝光于常规曝光结合的形式制作取样光栅。
然后进行光刻以及后续刻蚀工艺，之后进行p-InP包层以及p-InGaAs接触层的生长。
采用干湿法结合的工艺刻蚀出脊波导结构，并且在不同的加电单元之间通过去除脊波导上方的重掺杂区域形成很好的电隔离。
在芯片表面生长绝缘层，在注入电流的脊波导正上方将绝缘层去除，并且覆盖电极材料，在旁边的绝缘层位置，生长钛铂电阻，通过控制钛铂薄膜电阻的厚度，长度和宽度可以实现对其电阻大小的控制。
(2)在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路(载体)上生长薄膜电阻的步骤如下：
如图3所示，激光器在使用过程中需要贴片在薄膜电路载体上，以使用AlN陶瓷介质为例，首先在AlN的载体上进行清洗、热烘，然后进行溅射生长氮化钽电阻，通过控制氮化钽的长宽高可以控制氮化钽电阻的阻值。
氮化钽电阻在溅射过程中引入氮气负压，同时电阻会在表面热氧化后形成五氧化二钽钝化层用于保护其稳定性。溅射完氮化钽电阻在电阻的两端位置溅射生长Au电极，两电极之间通过电阻相连，后续光刻、显影、刻蚀实现电阻及电极形状的设计。
需要说明的是，本发明中电阻引入的方法只是应用于分布式反馈半导体激光器阵列的一种。但是可以选择电阻生长的方式有很多，其最终的模型都可以归一到前述设计中。
本发明实施例以串联3个激光器为例，工作的激光器的工作电流为80mA，其余激光器需要加小电流补偿材料的本征损耗和波导的散射损耗，此小电流约为20mA(透明电流)，根据上述的分析计算方法，在激光器之间所需要生长相应的电阻阻值。实现了大约1:4的电流分配。串并联可调谐激光器阵列工作时工作激光器注入主要电流，其余激光器只需注入透明电流(补偿激光器在其他激光器传输时的损耗)即可。
按照本发明所设计的比例电流，需注入总电流为120mA电流实现相应情况。
本发明实施例进行了相应的测试验证实验，采用在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻的形式。
如图4可以看出串并联可调谐激光器阵列中的各个激光器均可在设计波长进行激射。由于不能直接检测各个激光器工作时的电流，因此从激光器光谱图判断激光器工作情况。如图5所示，激光器三通道工作时，均单模激射，边模抑制比达到了40dB。
同时也与多电源供电进行了相关对比，在同一批的晶圆上生产的激光器采用多电源供电形式，三个激光器串联单元需要三个不同的电源，其光谱图与单电源供电类似，主模激射功率相似，边摸抑制比相似。
由此可以判断通过在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻，实现基于串并联可调谐激光器阵列的优化加电方式，缩减激光器供电电源的数量，但仍与多电源激光器工作效果相似。
本发明另一实施例进行了相关测试验证实验，将串联3个激光器贴片在薄膜载体上，激光器的工作电流为80mA，其余激光器需要加小电流补偿材料的本征损耗和波导的散射损耗，此小电流约为20mA(透明电流)，根据上述的分析计算方法，在激光器之间所需要生长相应的电阻阻值。后续在载体上进行氮化钽材料薄膜生长，后续经过电极相连进行，如图6所示。
同时也与多电源供电进行了相关对比，在同一批的晶圆上生产的激光器采用多电源供电形式，三个激光器串联单元需要三个不同的电源，其光谱图与单电源供电类似，主模激射功率相似，边摸抑制比相似。
由此可以判断通过在激光器贴片时的载体表面生长氮化钽电阻，实现基于串并联可调谐激光器阵列的优化加电方式，缩减激光器供电电源的数量，但仍与多电源激光器工作效果相似。
需要说明的是，本发明实施例只是一种应用于分布式反馈半导体激光器阵列的一种情况。但这种基于串并联可调谐激光器阵列的优化加电方式可应用范围远远不止如此。正如本发明所描述的可以既可以在激光器设计过程中引入电阻，也可以在激光器所处的热沉载体上引入电阻，由此可以实现优化的加电方案。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，其特征在于，包括：
S1、在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成薄膜电阻，或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长薄膜电阻；
S2、计算串并联可调谐激光器阵列中需不同单一电源的各个激光器、合波、光放大器的供电方案；
S3、通过控制薄膜电阻阻值的大小，实现电流在串并联可调谐激光器阵列中的分配，对串并联可调谐激光器阵列中的激光器、合波、光放大器使用单一电源进行加电。
2.根据权利要求1所述的一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，其特征在于，所述S1中的电阻连接在各个激光器之间。
3.根据权利要求1所述的一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，其特征在于，所述S1中在串并联可调谐激光器阵列表面生长集成钛铂薄膜电阻，并与相应的激光器电极相连；
或在串并联可调谐激光器阵列贴片的薄膜电路上生长氮化钽薄膜电阻与相应的激光器电极连接。
4.根据权利要求1所述的一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，其特征在于，所述S2中通过基尔霍夫定律、叠加定律、等效定律将激光器等效为二极管与电阻串联模型后进行供电方案计算。
5.根据权利要求1所述的一种串并联可调谐激光器阵列的优化加电方法，其特征在于，所述S3在加电时向激射的激光器注入激射电流，其余激光器注入透明电流用以补偿材料的本征吸收损耗和波导的散射损耗。
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