CN218070544U - 一种集成激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种集成激光器，涉及半导体器件技术领域，本申请的集成激光器，包括VCSEL和设置在VCSEL外周的注入光子组件，注入光子组件包括注入激光器和设置在注入激光器出光侧的光波导，注入激光器出射的光子通过光波导注入到VCSEL的谐振区域内。本申请提供的集成激光器，设置外腔边发射激光器作为补充光子源，补充VCSEL谐振腔因激光输出而损失的光子，从而进一步提升VCSEL的调制带宽。

Description

一种集成激光器

技术领域

本申请涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种集成激光器。

背景技术

光纤通讯是目前通讯网络的基本构成方式，针对日益增加的信息传输、信息交换速率和数量的需求，作为物理层面核心的激光器需要在信道调制速率、总信道带宽以及光谱性能等方面大幅提升。其中，垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，VCSEL)由于发射的光具有圆形对称的光斑，并且出光的发散角相对较小，因而成为日益首选的激光器。此外，由于VCSEL的出光的方式为垂直于半导体基底方向从结构的顶部出射，垂直方向出射有利于晶片大规模的生产和测试，使得VCSEL优于边发射型激光器，VCSEL在通讯系统中成为日益普遍的采用激光器。

随着光通讯速率的提升，目前光通信高速VCSEL的高频调制宽带较小，其中，限制其高频调制特性的因素很多，关键因素为有源区量子阱内部的载流子与光子的弛豫振荡频率。载流子、光子浓度变低会使弛豫振荡频率达到饱和，从而限制调制带宽的进一步提升。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种集成激光器，设置外腔激光器作为补充光子源，补充VCSEL谐振腔因激光输出而损失的光子，从而进一步提升VCSEL的调制带宽。

本申请的实施例一方面提供了一种集成激光器，包括VCSEL和设置在VCSEL外周的注入光子组件，注入光子组件包括注入激光器和设置在注入激光器出光侧的光波导，注入激光器出射的光子通过光波导注入到VCSEL的谐振区域内。

作为一种可实施的方式，注入激光器包括边发射激光器。

作为一种可实施的方式，边发射激光器包括多个，对应光波导包括多个，多个边发射激光器沿VCSEL的周向排列，其中，边发射激光器的出光方向朝向VCSEL。

作为一种可实施的方式，集成激光器还包括衬底，衬底划分为出射激光器区域和设置在出射激光器区域外周的注入激光器区域，VCSEL设置于出射激光器区域，边发射激光器设置于注入激光器区域。

作为一种可实施的方式，注入激光器包括依次设置于衬底上的下波导层、有源区、上波导层和第一正电极，上波导层为脊型波导层且上波导层内设置有布拉格光栅。

作为一种可实施的方式，VCSEL包括依次设置在衬底上的下反射器、谐振区域、上反射器和第二正电极。

作为一种可实施的方式，相邻两个边发射激光器之间还设置有正极焊盘或者负极焊盘，其中，一个正极焊盘与第二正极连接，其余正极焊盘分别与两侧的第一正电极连接，负极焊盘通过衬底与下波导层和下反射器连接。

作为一种可实施的方式，光波导包括基底以及设置于基底上的耦入件和耦出件，耦入件允许预设波长的光子进入基底，预设波长的光子在基底内传播至耦出件，并经耦出件耦出至VCSEL的谐振区域，其中，预设波长为VCSEL的激射波长。

作为一种可实施的方式，边发射激光器包括四个，四个边发射激光器均布设置于VCSEL的外周。

作为一种可实施的方式，上反射器中设置有电流限制区以界定出电流通道，电流限制区采用高电阻材料以使电流沿电流通道流通。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的集成激光器，包括VCSEL和设置在VCSEL外周的注入光子组件，其中，VCSEL的谐振区域在电泵浦或者光泵浦的作用下产生光子，光子在谐振区域内沿VCSEL的层叠方向来回反射吸收光能，直至产生谐振效应时沿垂直于谐振区域的方向出射，形成激光，减少谐振区域内的光子，注入光子组件包括注入激光器和设置在注入激光器出光侧的光波导，注入激光器作为补充光子源，注入激光器出射的光子通过光波导注入到VCSEL的谐振区域内，补充VCSEL谐振区域因激光输出而损失的光子，从而延迟VCSEL的驰豫振荡的饱和点，进而提升VCSEL的调制带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种集成激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种集成激光器的层级图。

图标：10-集成激光器；110-VCSEL；111-下反射器；112-谐振区域；113-上反射器；114-第二正电极；115-电流通道；116-电流限制区；120-注入光子组件；121-光波导；122-注入激光器；123-下波导层；124-有源区；125-上波导层；126-第一正电极；130-衬底；131-出射激光器区域；132-注入激光器区域；133-正极焊盘；134-负极焊盘。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

VCSEL具有较好的光束质量、圆对称的光斑分布以及发散角较小等优点，能够用于实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。

本申请提供了一种集成激光器10，包括VCSEL110和设置在VCSEL110外周的注入光子组件120，注入光子组件120包括注入激光器122和设置在注入激光器122出光侧的光波导121，注入激光器122出射的光子通过光波导121注入到VCSEL110的谐振区域112内。

VCSEL110的谐振区域112在电泵浦或者光泵浦的作用下产生光子，其中，谐振区域112的两侧分别设置反射率极高(99.9％)的反射器，光子在两侧反射器之间来回反射，在来回反射过程中，不断吸收谐振区域112的光能，最后产生谐振效应，使得光子的能量放大最终出射形成激光，从而减少谐振区域112内的光子，光子浓度变低会使弛豫振荡频率达到饱和，从而限制调制带宽的进一步提升，本申请实施例在VCSEL110外周设置注入光子组件120，注入光子组件120包括注入激光器122和设置在注入激光器122出光侧的光波导121，注入激光器122产生光子并出射，注入激光器122出射的光子通过光波导121注入到VCSEL110的谐振区域112内，补充VCSEL110谐振区域112因激光输出而损失的光子，从而延迟的驰豫振荡的饱和点，进而提升VCSEL110的调制带宽。

另外，注入激光器122出射的光子入射VCSEL110的谐振区域112内，作为光泵浦的来源，能够将更多的载流子泵浦到高能级，从而使得谐振区域112的阈值电流降低，能够进一步提升集成激光器10的宽带。

其中，注入激光器122的具体结构本申请实施例不做限制，只要能够出射光子，且出射的光子能够补充VCSEL110谐振区域112因激光输出而损失的光子即可，示例的，可以是法布里-珀罗激光器，也可以是分布反馈式激光器。

需要说明的是，本申请实施例中的VCSEL110是指具有VCSEL110的主要工作部件，同理，注入激光器122也是指激光器的主要工作部件，本申请实施例将VCSEL110和注入激光器122集成在一起形成集成激光器10，具体的，VCSEL110和注入激光器122最后可以通过统一封装体形成一个整体。

本申请提供的集成激光器10，包括VCSEL110和设置在VCSEL110外周的注入光子组件120，其中，VCSEL110的谐振区域112在电泵浦或者光泵浦的作用下产生光子，光子在谐振区域112内沿VCSEL110的层叠方向来回反射吸收光能，直至产生谐振效应时沿垂直于谐振区域112的方向出射，形成激光，减少谐振区域112内的光子，注入光子组件120包括注入激光器122和设置在注入激光器122出光侧的光波导121，注入激光器122作为补充光子源，注入激光器122出射的光子通过光波导121注入到VCSEL110的谐振区域112内，补充VCSEL110谐振区域112因激光输出而损失的光子，从而延迟VCSEL110的驰豫振荡的饱和点，进而提升VCSEL110的调制带宽。

可选的，注入激光器122包括边发射激光器。

边发射激光器的出光方向为由有源区124的侧边向外出射，为水平方向出光，当边发射激光器作为注入激光器122时，注入激光器122和VCSEL110可以沿同样的方向层叠设置，边发射激光器的有源区124与VCSEL110的谐振区域112同层设置，有源区124出射的光子通过光波导121可以直接入射谐振区域112，能够方便集成激光器10的制作，简化集成激光器10的制备工艺。

边发射激光器的具体结构本申请实施例不做限制，只要出光方向为水平方向出光即可，示例的，可以是法布里-珀罗激光器，也可以是分布反馈式激光器。

本申请实施例的一种可实现的方式中，边发射激光器包括多个，对应光波导121包括多个，多个边发射激光器沿VCSEL110的周向排列，其中，边发射激光器的出光方向朝向VCSEL110。

为了能够及时补充VCSEL110谐振区域112因激光输出而损失的光子，可以在VCSEL110外周设置多个注入光子组件120，即包括多个边发射激光器和与边发射激光器对应设置的光波导121，多个边发射激光器沿VCSEL110的周向排列，应当理解的是，边发射激光器的出光方向朝向VCSEL110，这样，多个边发射激光器可以同时或者不同时出射光子，光子从各个方向入射谐振区域112，对VCSEL110谐振腔因激光输出而损失的光子进行补充，提高了光子补充的效率及数量，进一步提升VCSEL110的调制带宽。

其中，边发射激光器的具体个数本申请实施例不做限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行具体的设置，只要能够提升VCSEL110的调制带宽即可。

可选的，如图1、图2所示，集成激光器10还包括衬底130，衬底130划分为出射激光器区域和设置在出射激光器区域131外周的注入激光器区域132，VCSEL110设置于出射激光器区域131，边发射激光器设置于注入激光器区域132。

为了进一步提高集成激光器10的集成度，本申请实施例将VCSEL110和边发射激光器设置于同一衬底130上，使得VCSEL110的谐振区域112与边发射激光器的有源区124更加靠近，便于有源区124出射的光子入射谐振区域112，而且能够减小集成激光器10的体积。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图2所示，注入激光器122包括依次设置于衬底130上的下波导层123、有源区124、上波导层125和第一正电极126，上波导层125为脊型波导层且上波导层125内设置有布拉格光栅。

当第一正电极和衬底130上具有电压差，且电压差满足边发射激光器的泵浦电压时，有源区124内的电子-空穴复合，辐射出能量相应的光子，光子受到布拉格光栅的反射，布拉格光栅的栅条间的入射光和反射光方向相反，布拉格光栅的设置使得只有特定波长的光才会受到强烈反射，实现动态单纵模工作，使得注入激光器122出射的光子具有特定波长，使得只有具有激射波长的光子入射谐振区域112，提高光子补充的效率。

可选的，如图2所示，VCSEL110包括依次设置在衬底130上的下反射器111、谐振区域112、上反射器113和第二正电极114。

当第二正电极和衬底130上具有电压差，且电压差满足VCSEL110的泵浦电压时，谐振区域112内激发形成光子，光子在上反射器113和下反射器111之间来回反射，因为上反射器113和下反射器111具有极高的反射率，在来回反射过程中，不断吸收谐振区域112的光能，最后产生谐振效应，使得光子的能量放大最终出射形成激光。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，相邻两个边发射激光器之间还设置有正极焊盘133或者负极焊盘134，其中，一个正极焊盘133与第二正电极114连接，其余正极焊盘133分别与两侧的第一正电极126连接，负极焊盘134通过衬底130与下波导层123和下反射器111连接。

由于边发射激光器沿侧边出光，当多个边发射激光器沿VCSEL110的周向排列时，使得相邻两个边发射激光器之间的空间未利用，为了进一步利用空间，提高集成激光器10的集成度，本申请在相邻的两个边发射激光器之间设置正极焊盘133和负极焊盘134，一个正极焊盘133与第二正电极114连接，其余正极焊盘133分别与两侧的第一正电极126连接，正极焊盘133与两侧的第一正电极126连接提高了正极焊盘133的利用率，使得正极焊盘133同时为两个边发射激光器提供电压。其中，由于边发射激光器和VCSEL110的泵浦电压不同，使得第二正电极114不能与边发射激光器公用一个正极焊盘133，使得其中一个正极焊盘133与第二正电极114连接。

负极焊盘134设置在衬底130上，负极焊盘134通过衬底130与下波导层123和下反射器111连接，能够同时为边发射激光器和VCSEL110提供电连接，从而进一步衬底130上空间的利用。

可选的，光波导121包括基底以及设置于基底上的耦入件和耦出件，耦入件允许预设波长的光子进入基底，预设波长的光子在基底内传播至耦出件，并经耦出件耦出至VCSEL110的谐振区域112，其中，预设波长为VCSEL110的激射波长。

本领域技术人员知晓，光波导121的耦入件能够对特定波长的光束进行耦入，使其进入基底，而阻挡其余波长的光束，使其离开基底，本申请实施例将耦入件的预设波长设置为VCSEL110的激射波长，使得由边发射激光器发射的激光中具有VCSEL110激射波长的光子入射光波导121，从光波导121出射后进入谐振区域112，对应补充VCSEL110的谐振区域112内的具有激射波长的光子，耦入件的设置使得光波导121对边发射激光器发射的光子进行波长滤除，使得只有具有激射波长的光子入射谐振区域112，提高光子补充的效率。

其中，耦入件的具体结构本申请实施例不做限制，可以采用透射式耦入光栅、也可以采用反射式耦入光栅，同理，耦出件本申请实施例也不做具体限定，可以采用透射式耦出光栅、也可以采用反射式耦出光栅，也可采用反射镜面或者透射镜面。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图1所示，边发射激光器包括四个，四个边发射激光器均布设置于VCSEL110的外周。

可以理解的是，边发射激光器设置的越多，注入到谐振区域112内的光子就越多，但是，当注入到谐振区域112内的光子超过预定值后，光子浓度的增大对宽带的提升的效果不是特别明显，而且，边发射激光器设置的越多使得集成激光器10的制作难度以及制作精度均会大大增加，为了在制作难度较小的情况下兼顾宽带提升效率，本申请实施例将边发射激光器包括四个，四个边发射激光器均布设置于VCSEL110的外周。

可选的，如图2所示，上反射器113中设置有电流限制区116以界定出电流通道115，电流限制区116采用高电阻材料以使电流沿电流通道115流通。

由上述可知，VCSEL110为垂直于谐振腔发射的激光器，为了降低激光光子出射时的阈值电流，在上反射器113内设置电流限制区116，电流限制区116的材料采用高阻材料制成，电流限制区116围合界定出电流通道115，电流通道115低电阻以使电流沿电流通道115流通，电流通道115的横截面积减小，从而降低激光光子出射时的阈值电流，具体的，设置电流限制区116的层级为电流限制层，电流限制层内部分材料氧化成高电阻形成电流限制区116，未氧化区作为电流通道115，同时也作为出光孔，限制电流仅能从出光孔通过。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成激光器，其特征在于，包括VCSEL和设置在所述VCSEL外周的注入光子组件，注入光子组件包括注入激光器和设置在所述注入激光器出光侧的光波导，所述注入激光器出射的光子通过所述光波导注入到VCSEL的谐振区域内。

2.根据权利要求1所述的集成激光器，其特征在于，所述注入激光器包括边发射激光器。

3.根据权利要求2所述的集成激光器，其特征在于，所述边发射激光器包括多个，所述光波导对应包括多个，多个所述边发射激光器沿所述VCSEL的周向排列，其中，所述边发射激光器的出光方向朝向所述VCSEL。

4.根据权利要求2所述的集成激光器，其特征在于，还包括衬底，所述衬底划分为出射激光器区域和设置在所述出射激光器区域外周的注入激光器区域，所述VCSEL设置于所述出射激光器区域，所述边发射激光器设置于所述注入激光器区域。

5.根据权利要求4所述的集成激光器，其特征在于，所述注入激光器包括依次设置于所述衬底上的下波导层、有源区、上波导层和第一正电极，所述上波导层为脊型波导层且所述上波导层内设置有布拉格光栅。

6.根据权利要求5所述的集成激光器，其特征在于，所述VCSEL包括依次设置在所述衬底上的下反射器、谐振区域、上反射器和第二正电极。

7.根据权利要求6所述的集成激光器，其特征在于，相邻两个所述边发射激光器之间还设置有正极焊盘或负极焊盘，其中，一个所述正极焊盘与所述第二正电极连接，其余所述正极焊盘分别与两侧的所述第一正电极连接，所述负极焊盘通过衬底与所述下波导层和所述下反射器连接。

8.根据权利要求1所述的集成激光器，其特征在于，所述光波导包括基底以及设置于所述基底上的耦入件和耦出件，所述耦入件允许预设波长的光子进入所述基底，预设波长的光子在所述基底内传播至所述耦出件，并经所述耦出件耦出至所述VCSEL的谐振区域，其中，预设波长为所述VCSEL的激射波长。

9.根据权利要求3所述的集成激光器，其特征在于，所述边发射激光器包括四个，四个所述边发射激光器均布设置于所述VCSEL的外周。

10.根据权利要求6所述的集成激光器，其特征在于，所述上反射器中设置有电流限制区以界定出电流通道，所述电流限制区采用高电阻材料以使电流沿所述电流通道流通。

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