TWI429152B - 垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法 - Google Patents

垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI429152B
TWI429152B TW100138678A TW100138678A TWI429152B TW I429152 B TWI429152 B TW I429152B TW 100138678 A TW100138678 A TW 100138678A TW 100138678 A TW100138678 A TW 100138678A TW I429152 B TWI429152 B TW I429152B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
mirror
layer
hcg
optical signal
vcsel
Prior art date
Application number
TW100138678A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201232977A (en
Inventor
Michael Renne Ty Tan
David A Fattal
Jingjing Li
Raymond G Beausoleil
Original Assignee
Hewlett Packard Development Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Development Co filed Critical Hewlett Packard Development Co
Publication of TW201232977A publication Critical patent/TW201232977A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI429152B publication Critical patent/TWI429152B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/1838—Reflector bonded by wafer fusion or by an intermediate compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02251—Out-coupling of light using optical fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
    • H01S2301/176—Specific passivation layers on surfaces other than the emission facet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18363—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising air layers
    • H01S5/18366—Membrane DBR, i.e. a movable DBR on top of the VCSEL
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Description

垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法
本發明係有關於一種垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法。
 發明背景
垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)乃具有雷射束從頂面垂直發射的一型半導體雷射二極體。VCSEL與其它類型邊緣發射半導體雷射的差異在於從藉將個別晶片從晶圓切割出所形成的表面發射雷射束。從VCSEL垂直發射雷射允許VCSEL在整個製造過程的各個階段接受測試來檢查材料品質及處理問題，不似邊緣發射雷射直到製程結束前係無法測試。如此，若製程結束時邊緣發射雷射無法工作，則生產時間及加工材料皆浪費掉。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統，其係包含：一第一部分包含一第一鏡及一增益區域來回應於一資料信號而放大一光信號，該第一部分係在一第一晶圓上製造；一第二部分包含一第二鏡，該鏡為部分反射性來讓該光信號耦合至一光纖，該第二部分係在一第二晶圓上製造；及一支持結構來耦合該等第一及第二部分，使得該等第一及第二鏡係排列作為具有預定長度來共振該光信號的一雷射空腔。
圖式簡單說明
第1圖顯示VCSEL系統之一實例。
第2圖顯示VCSEL系統之一剖面圖實例。
第3圖顯示第2圖VCSEL系統第一部分之一實例。
第4圖顯示包括光阻劑層之SOI結構之剖面的一實例略圖。
第5圖顯示光阻劑層已經製作圖樣的第4圖SOI結構之一實例略圖。
第6圖顯示正在進行蝕刻步驟的第5圖SOI結構之一實例略圖。
第7圖顯示蝕刻步驟實質上完成後的第6圖SOI結構之一實例略圖。
第8圖顯示第7圖SOI結構之頂視實例略圖。
第9圖顯示具有光阻劑層的第7圖SOI結構之剖面實例略圖。
第10圖顯示光阻劑層已經製作圖樣的第9圖SOI結構之一實例略圖。
第11圖顯示正在進行蝕刻步驟的第10圖SOI結構之一實例略圖。
第12圖顯示蝕刻步驟實質上完成後的第11圖SOI結構之一實例略圖。
第13圖顯示第12圖SOI結構之頂視實例略圖。
第14圖顯示耦合光纖的第12圖SOI結構之剖面實例略圖。
第15圖顯示VCSEL系統陣列之一實例。
第16圖顯示用以製造VCSEL系統之方法之一實例。
 詳細說明
第1圖例示說明垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統10之實例。VCSEL系統10可於多項光學應用上體現，諸如光運算及光通訊。VCSEL系統10包括第一部分12及第二部分14。於第1圖之實例中，第一部分12包括增益區域16，該區域係經組配來回應於信號(DATA)而產生光信號(OPT)。舉個實例，信號(DATA)可以是射頻(RF)基帶資料信號。第一部分12也包括一鏡18。舉個實例，鏡18可經組配成為多層n-摻雜分散式布拉格反射鏡(n-DBR)。
第二部分14包括高反差閘控(HCG)鏡20。HCG鏡20可經組配成部分反射鏡(例如約98%反射)，使得鏡18與HCG鏡20可協作而形成雷射空腔來共振光信號(OPT)。如此，部分光信號(OPT)可從該雷射空腔射出及發射入光纖22內。舉例言之，如此處所述，光纖22可基於第二部分14的製造而實質上對齊HCG鏡20。舉個實例，光纖22可以是單模式纖維諸如傳播光信號(OPT)用於在目的地處理，或用作為多工化光信號的一部分，諸如基於將光信號(OPT)發射入多模式纖維內。
舉個實例，第一及第二部分12及14可從分開的半導體晶圓製造。舉例言之，第一部分12可僅只製造為VCSEL而無相聯結的第二鏡(例如HCG鏡)。但第二部分14可從分開的絕緣體上矽(SOI)晶圓製造，諸如含括由絕緣體(例如二氧化矽SiO2 )分開的兩層矽(Si)。舉個實例，可製造第二部分14使得HCG鏡20可在SOI晶圓之矽層中之一者上製作圖樣而另一矽層可被蝕刻來接納光纖22，因此HCG鏡20可實質上對齊光纖22。結果，光信號(OPT)容易耦合入光纖22來當發射入光纖22內時提供遠更精準的光信號(OPT)輸出模式。
因此，因第一及第二部分12及14係從分開晶圓製造，故第一及第二部分12及14可配置成分開的獨立塊。如此，VCSEL系統10更包括支持結構24，其係經組配來耦合該第一及第二部分12及14，使得HCG鏡20可實質上對齊該鏡18而形成雷射空腔。舉個實例，支持結構24可包括晶圓的未經蝕刻部分，從該部分製造第一部分12，諸如連結至第一及第二部分12及14二者。如此，容易調整支持結構24，使得光信號(OPT)之雷射波長容易基於雷射空腔長度而予調整。據此，VCSEL系統10可提供優於傳統單塊式VCSEL系統的多項優點。
第2圖例示說明VCSEL系統50之剖面實例。VCSEL系統50可相對應於第1圖實例的VCSEL系統10。因此，後文第2圖實例之描述將參考第1圖實例。
VCSEL系統50顯示VCSEL系統50的第一部分12及第二部分14。如前述，第一及第二部分12及14可從分開的晶圓分開地製造。第一部分12包括p-接觸區52及n-接觸區54，其係作為二極體的接點，信號(DATA)通過該二區來產生光信號(OPT)。n-接觸區54係由基體層56所覆蓋。舉個實例，基體層56可以是N-摻雜砷化鎵(GaAs)層。第一部分12也包括多層n-摻雜DBR 58，其係用作為約100%反射鏡。如此n-摻雜DBR 58可相對應於第1圖實例中之VCSEL系統10的該鏡18。
第一部分12也包括氮化矽(SiN)鈍化層60及實質上環繞砷化鎵多量子井(MQW)64的聚醯亞胺62。MQW 64用作為信號(DATA)的增益區域來產生光信號(OPT)。如此在MQW64產生光信號(OPT)及從n-摻雜DBR 58反射而欲從氧化物層68的孔隙66射出。於第2圖之實例中，光信號(OPT)係顯示於70。第一部分12可藉支持結構(圖中未顯示)諸如第1圖實例中之支持結構24而耦合第二部分14來以預定量懸吊第二部分14於第一部分12上方。
容後詳述，第二部分14可從SOI結構製造。更明確言之，第二部分14包括與孔隙66分開達距離L的第一矽層72。距離L可基於支持結構24調整來調節光信號(OPT)的雷射波長。第一矽層72可包括可形成HCG鏡76的蝕刻圖樣74。蝕刻圖樣74可包括次波長蝕刻入第一矽層72，諸如孔洞、凹槽、及/或柱，使得HCG鏡76可以是部分反射性(例如98%)。因此n-摻雜DBR 58與HCG鏡76協作來用作為雷射空腔而共振光信號(OPT)。此外，HCG鏡76可以某種方式製作圖樣來控制光信號(OPT)形狀而模擬曲面鏡，使得光信號(OPT)當從HCG鏡76反射時聚焦入孔隙66內。又復，HCG鏡76之製作圖樣可調節光信號(OPT)的雷射波長。
第二部分14也包括絕緣體層78，可以是玻璃層，諸如二氧化矽。如此，絕緣體層78可經選擇具有約0%反射率。絕緣體層78分開第一矽層72與第二矽層80。第二矽層80可製造成具有向下蝕刻至絕緣體層78的孔洞，該孔洞係蝕刻在絕緣體層78的相對表面上約在HCG鏡76的相同位置。如此，光纖22可接納在第二矽層80的孔洞內。第二矽層80的孔洞可經蝕刻而具有內直徑(ID)約等於光纖22的外直徑(OD)，使得光纖22之芯可實質上對齊HCG鏡76。結果，光信號(OPT)之未經反射能可通過HCG鏡76，將直接發射入光纖22內。
舉個實例，光纖22可包括單模式芯82，故光纖22可以是單模式纖維。如此，因光纖22的單模式芯82可實質上對齊HCG鏡76，故光信號(OPT)可耦合入光纖22來當光信號(OPT)發射入光纖22內時提供遠更精準的光信號(OPT)輸出模式。此外，如第2圖之實例驗證，HCG鏡76係製造成構成耦合至絕緣體層78的一層，而與發生在傳統VCSEL系統的情況相反，後者係透過耦合至p-接觸區52而HCG鏡76懸吊在孔隙66上方。因而由n-摻雜DBR 58及HCG鏡76所形成的雷射空腔經驗比較傳統VCSEL系統遠更大的空間穩定性。
現在描述VCSEL系統50之製造。於後文第3圖至第14圖之實例說明中，參考第2圖之實例及相似的元件符號也參考第2圖實例。
第3圖例示說明第2圖之VCSEL系統50的第一部分12之一實例略圖100。第一部分12可以多種方式製造成包括p-接觸區52及n-接觸區54、基體層56、及多層n-摻雜DBR 58。此外，第一部分100可製造成包括氮化矽鈍化層60、聚醯亞胺62、及砷化鎵MQW 64。因此，第一部分12可製造成使得第一部分100係長成高速氧化物約束VCSEL部分，使得第一部分12包括增益區域(例如MQW 64)來產生光信號(OPT)，及一鏡(例如n-摻雜DBR 58)來作為共振光信號(OPT)的雷射空腔之一部分。
第4圖例示說明包括光阻劑層154之SOI結構152之剖視略圖150實例。SOI結構152在第4圖實例中驗證為覆晶SOI晶圓的一部分，包括第一矽層72、絕緣體層78、及於SOI結構152製造期間可用作為基體的第二矽層80。舉個實例，SOI結構152可透過藉植入氧而分開(SIMOX)方法製成。SIMOX方法之基本步驟包括在矽晶圓表面下方植入氧。其次可執行高溫退火步驟來將植入的氧原子聚結成二氧化矽均勻層。退火步驟典型地可於高於1250℃溫度進行數小時來聚結植入的氧且達成第二矽層80從表面向下的固態再結晶。如此，舉個實例，第二矽層80可長成具有約500微米之厚度。
SOI結構152也例示說明為含括形成在第二矽層80上的光阻劑層154。光阻劑層154可具有約500埃至5000埃之厚度。但須瞭解其厚度可以是適合用以製造第二部分14的任一種尺寸。據此，光阻劑層154厚度可依對光阻劑層154製作圖樣所使用的輻射波長而改變。光阻劑層154可透過習知旋塗或旋鑄沈積技術而在第二矽層80上方製成。
第5圖例示說明光阻劑層154已經製作圖樣的第4圖之SOI結構152的實例略圖200。更明確言之，光阻劑層154係使用習知技術製作圖樣而形成具有內直徑約等於光纖22的外直徑之孔洞。舉個實例，孔洞內直徑可以約為125微米。如此，已製作圖樣的光阻劑層154可用作為蝕刻遮罩層，用來處理或蝕刻下方第二矽層80。
第6圖例示說明正在進行蝕刻步驟的第5圖之SOI結構152的實例略圖250。蝕刻可以是各向異性深反應性離子蝕刻(DRIE)，如箭頭252指示。任何適當的DRIE蝕刻技術皆可用來蝕刻第二矽層80。舉例言之，第二矽層80可在市售蝕刻器諸如平行板DRIE設備，或另外電子迴旋加速器共振(ECR)電漿反應器，使用一或多個電漿氣體諸如，含氟陰離子之四氟化碳(CF4 )接受各向異性蝕刻來複製已製作圖樣的光阻劑層154的遮罩圖樣。
第7圖例示說明蝕刻步驟已實質上完成後的第6圖之SOI結構152的實例略圖300。更明確言之，略圖300例示說明在去除步驟(例如於氧電漿中灰化)已實質上完成來去除已製作圖樣的光阻劑層154的其餘部分後之部分完成的SOI結構152。因此SOI結構152包括在第二矽層80已經透過第6圖實例之DRIE蝕刻法蝕刻的孔洞302。如此DRIE蝕刻法在第7圖實例驗證為將第二矽層80已經完全向下蝕刻至絕緣體層78，使得孔洞具有約500微米之深度。第8圖例示說明第7圖之SOI結構152的頂視實例略圖350。於第8圖之實例中，孔洞302驗證為具有實質上圓形尺寸。但須瞭解孔洞302可具有多種尺寸類型，諸如矩形、卵形、或不規則形。
第9圖例示說明具有光阻劑層402的第7圖SOI結構152之剖面的實例略圖400。於第9圖之實例中，SOI結構152驗證為已經顛倒，諸如相對於第4至8圖之實例驗證，SOI結構152顯示為上下顛倒，如此定向為傳統SOI晶圓的相同方向性。如此，SOI結構152仍包括第一矽層72、絕緣體層78、及第二矽層80。SOI結構152也例示說明為包括形成在第一矽層72上的光阻劑層402。光阻劑層402可具有適合用以製造第二部分14的厚度(例如約500埃至5000埃)，諸如植基於用來將光阻劑層402製作圖樣的輻射波長。光阻劑層402可透過習知旋塗或旋鑄沈積技術而在第一矽層72上方製成。
第10圖例示說明光阻劑層402已經製作圖樣的第9圖之SOI結構152的實例略圖450。更明確言之，光阻劑層154係使用習知技術製作圖樣而形成多個開口452。如此，已製作圖樣的光阻劑層402可用作為蝕刻遮罩層，用來處理或蝕刻下方第一矽層72而形成次波長蝕刻而該蝕刻係用作為部分反射性光柵。
第11圖例示說明正在進行蝕刻步驟的第10圖之SOI結構152的實例略圖500。蝕刻可以是各向異性深反應性離子蝕刻(DRIE)，如箭頭502指示。任何適當的DRIE蝕刻技術皆可用來蝕刻第一矽層72。舉例言之，第一矽層72可在市售蝕刻器諸如平行板DRIE設備，或另外電子迴旋加速器共振(ECR)電漿反應器，使用一或多個電漿氣體諸如，含氟陰離子之四氟化碳(CF4 )接受各向異性蝕刻來複製已製作圖樣的光阻劑層402的遮罩圖樣。但須瞭解其它蝕刻技術可於第11圖之實例所述蝕刻步驟中體現。
第12圖例示說明蝕刻步驟已實質上完成後的第11圖之SOI結構152的實例略圖550。更明確言之，略圖550例示說明在去除步驟已實質上完成來去除已製作圖樣的光阻劑層402的剩餘部分後完成的第二部分14之視圖。因此，SOI結構152包括蝕刻圖樣552，該蝕刻圖樣552已經透過第11圖之DRIE蝕刻法而蝕刻入第一矽層72，相對應於在光阻劑層402製作圖樣(例如形成光柵)的開口452。如此，開口552之蝕刻係相對應於第一矽層72上HCG鏡76的製作圖樣。第13圖例示說明第12圖之SOI結構152的頂視實例略圖600。於第13圖之實例中，構成HCG光柵76的開口552係驗證為實質上取中於孔洞302，且實質上包封在取中於孔洞302的圓形外直徑裡。
第14圖例示說明耦合光纖22的第12圖之第二部分14之剖視實例略圖650。光纖22係容納於孔洞302內部，使得22之外直徑為實質上齊平孔洞302的內直徑。然後光纖22可直接地毗連耦合至絕緣體層78。結果，單模式芯82為實質上對齊藉相對表面上由開口552所形成的HCG鏡76。據此，光纖22可將已完成的第二部分14懸吊在第一部分12上方，使得光信號(OPT)可藉n-摻雜DBR 58及HCG鏡76共振，及發射入光纖22內。
第15圖例示說明VCSEL系統陣列700之實例。VCSEL陣列系統700包括VCSEL系統704之陣列702，於第15圖實例中從1編號至N，於該處N為大於1之正整數。VCSEL系統704各自可實質上類似第2圖實例中之VCSEL系統50而組配。舉個實例，VCSEL系統704各自可包括分別從分開晶圓製造的第一部分及第二部分。更明確言之，VCSEL系統704的全部第一部分可從單一晶圓製成，而VCSEL系統704的全部第二部分可從分開的單一晶圓製成，諸如SOI晶圓。
VCSEL系統704各自產生個別光信號，於第15圖之實例中，驗證為光信號OPT1 至OPTN ，發射入個別單模式光纖706內，分別編號為1至N。與如於第14圖之實例中驗證者相似，光纖22具有外直徑約等於第二矽層80的蝕刻孔洞的內直徑，單模式光纖706各自可以類似光纖22耦合至第二部分14之方式而耦合至各個個別VCSEL系統704。因此，單模式光纖706各自實質上對齊VCSEL系統704的雷射空腔，使得光信號OPT1 至OPTN 係直接耦合入單模式光纖706。光信號OPT1 至OPTN 然後傳播通過個別單模式光纖706，集合地發射入具有多模式芯的多模式纖維708內。結果，光信號OPT1 至OPTN 可在多模式纖維708內部多工化，諸如波長劃分多工化、偏極化多工化、及/或時間劃分多工化。
有鑑於如上描述之前文結構性及功能性特徵，參考第16圖將可更加明瞭實例方法。雖然為了簡明解說目的，第16圖之方法係顯示及描述為串列執行，但須瞭解與感知該方法並非限於例示說明的順序，原因在於部分方法可以如此處所顯示及所描述的不同順序及/或併行地進行。
第16圖例示說明拍攝物體照片之方法750之實例。於752，提供具有第一矽層、於該第一矽層上方之絕緣體層、及於該絕緣體層上方之第二矽層的SOI結構。於754，孔洞係形成於第一矽層，該孔洞的尺寸係可容納光纖。於756，部分反射性高反差光柵(HCG)鏡係在第二矽層製作圖樣，於第二矽層的部分反射性HCG鏡為實質上對齊第一矽層的孔洞。於758，設置VCSEL結構來產生光信號，該VCSEL結構包含一鏡。於760，SOI結構係耦合至VCSEL結構，使得該鏡及部分反射鏡係配置作為具有預定長度來共振該光信號的雷射空腔。
前文已經敘述若干實例。當然不可能描述多個組件或方法之每個可想知的組合，但熟諳技藝人士將瞭解多個其它組合及變化皆屬可能。據此，本發明意圖涵蓋落入於本案範圍包括隨附之申請專利範圍內的全部此等變更、修改、及變異。此外，揭示文或申請專利範圍引述為「一」、「第一」、或「另一」元件或其相當術語之處，既非要求也不排除二或多個此等元件，須解譯為含括一個或多於一個此等元件。
10、50、704．．．垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統
12．．．第一部分
14．．．第二部分
16．．．增益區域
18．．．鏡
20、76．．．高反差閘控(HCG)鏡
22、706．．．光纖
24．．．支持結構
52．．．p-接觸區
54．．．n-接觸區
56．．．基體層
58．．．n-摻雜DBR
60．．．氮化矽(SiN)鈍化層
62．．．聚醯亞胺
64．．．多量子井(MQW)
66．．．孔隙
68．．．氧化物層
70．．．光信號(OPT)
72．．．第一矽層
74．．．蝕刻圖樣
78．．．絕緣體層
80．．．第二矽層
82．．．單模式芯
100．．．第一部分實例略圖
150．．．剖面圖
152．．．SOI結構
154、402．．．光阻劑層
200、250、300、350、400、450、500、550、600．．．SOI結構之實例略圖
302．．．孔洞
452．．．開口
502．．．蝕刻箭頭
552．．．蝕刻圖樣、開口
650．．．第二部分實例略圖
700．．．VCSEL陣列系統
702．．．陣列
708．．．多模式纖維
750．．．方法
752-760．．．處理方塊
第1圖顯示VCSEL系統之一實例。
第2圖顯示VCSEL系統之一剖面圖實例。
第3圖顯示第2圖VCSEL系統第一部分之一實例。
第4圖顯示包括光阻劑層之SOI結構之剖面的一實例略圖。
第5圖顯示光阻劑層已經製作圖樣的第4圖SOI結構之一實例略圖。
第6圖顯示正在進行蝕刻步驟的第5圖SOI結構之一實例略圖。
第7圖顯示蝕刻步驟實質上完成後的第6圖SOI結構之一實例略圖。
第8圖顯示第7圖SOI結構之頂視實例略圖。
第9圖顯示具有光阻劑層的第7圖SOI結構之剖面實例略圖。
第10圖顯示光阻劑層已經製作圖樣的第9圖SOI結構之一實例略圖。
第11圖顯示正在進行蝕刻步驟的第10圖SOI結構之一實例略圖。
第12圖顯示蝕刻步驟實質上完成後的第11圖SOI結構之一實例略圖。
第13圖顯示第12圖SOI結構之頂視實例略圖。
第14圖顯示耦合光纖的第12圖SOI結構之剖面實例略圖。
第15圖顯示VCSEL系統陣列之一實例。
第16圖顯示用以製造VCSEL系統之方法之一實例。
10．．．垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統
12．．．第一部分
14．．．第二部分
16．．．增益區域
18．．．鏡
20．．．HCG鏡
22．．．光纖
24．．．支持結構

Claims (15)

  1. 一種垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統，其係包含：一第一部分包含一第一鏡及一增益區域來回應於一資料信號而放大一光信號，該第一部分係在一第一晶圓上製造；一第二部分包含一第二鏡，該鏡為部分反射性來讓該光信號耦合至一光纖，該第二部分係在一第二晶圓上製造；及一支持結構來耦合該等第一及第二部分，使得該等第一及第二鏡係排列作為具有預定長度來共振該光信號的一雷射空腔。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第二晶圓為一絕緣體上矽(SOI)晶圓包含一第一矽層、於該第一矽層上方之一絕緣體層、及於該絕緣體層上方之一第二矽層。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該第二鏡包含製作圖樣於該第一矽層上之一高反差閘控(HCG)鏡。
  4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該第一部分包含一孔隙，光信號通過該孔隙而在該第一鏡與第二鏡間共振，該HCG鏡係透過該孔隙而聚焦該光信號。
  5. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該光信號之一雷射波長係基於該HCG鏡之一鏡相位及該雷射空腔之預定長度中之至少一者決定。
  6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該第二部分包含蝕刻在該第二部分之一第一表面上的一矽層內之一孔洞，該孔洞為實質上對齊該第二部分之與該第一表面相對的一第二表面上之該第二鏡。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該孔洞接納該光纖，使得該光纖為實質上對齊該第二鏡。
  8. 一種包含多個如申請專利範圍第1項之VCSEL系統之雷射陣列，該等多個VCSEL系統各自產生個別光信號，該等光信號係發射入一多模式光纖內。
  9. 一種製造一垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)系統之方法，該方法包含：提供一絕緣體上矽(SOI)結構具有一第一矽層、於該第一矽層上方之一絕緣體層、及於該絕緣體層上方之一第二矽層；於該第一矽層形成一孔洞，該孔洞之尺寸可於製造後接納一光纖；對於該第二矽層之一部分反射性高反差閘控(HCG)鏡製作圖樣，於該第二矽層之該部分反射性HCG鏡為實質上對齊該第一矽層中之該孔洞；提供放大一光信號的一VCSEL結構，該VCSEL結構包含一鏡；及耦合該SOI結構至該VCSEL結構，使得該鏡及該部分反射性HCG鏡係排列作為具有預定長度來共振該光信號的一雷射空腔。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中於該第一矽層形成該孔洞包含：對一光阻劑材料製作圖樣來形成用於該孔洞之一遮罩；及執行一反應性離子蝕刻來於該第一矽層形成該孔洞。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中對於該第二矽層之部分反射性HCG鏡製作圖樣包含：對一光阻劑材料製作圖樣來形成用於該部分反射性HCG鏡之一遮罩；及執行一反應性離子蝕刻來於該第一矽層形成該部分反射性HCG鏡。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，其係進一步包含選擇該雷射空腔之預定長度來調整該光信號之一雷射波長。
  13. 如申請專利範圍第9項之方法，其中對該部分反射性HCG鏡製作圖樣包含基於用於該部分反射性HCG鏡的遮罩調整該光信號之雷射波長。
  14. 如申請專利範圍第9項之方法，其中提供該VCSEL結構包含提供在一氧化物層具有一孔隙的該VCSEL結構，該部分反射性HCG鏡通過該孔隙聚焦該光信號來在該鏡與該部分反射性HCG鏡間共振該光信號。
  15. 如申請專利範圍第9項之方法，其中於該第一矽層形成該孔洞包含形成該孔洞而具有一內直徑(ID)係約等於該光纖之一外直徑(OD)，使得該光纖當容納於該第一矽層的孔洞內時為實質上對齊該部分反射性HCG鏡。
TW100138678A 2010-12-20 2011-10-25 垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法 TWI429152B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2010/061326 WO2012087282A1 (en) 2010-12-20 2010-12-20 Vertical-cavity surface-emitting laser system and method for fabricating the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201232977A TW201232977A (en) 2012-08-01
TWI429152B true TWI429152B (zh) 2014-03-01

Family

ID=46314267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100138678A TWI429152B (zh) 2010-12-20 2011-10-25 垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9711947B2 (zh)
JP (1) JP2013545318A (zh)
TW (1) TWI429152B (zh)
WO (1) WO2012087282A1 (zh)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105075152A (zh) * 2013-04-11 2015-11-18 惠普发展公司，有限责任合伙企业 用于光隔离的模式转换
US9810843B2 (en) * 2013-06-10 2017-11-07 Nxp Usa, Inc. Optical backplane mirror
US9766409B2 (en) 2013-06-10 2017-09-19 Nxp Usa, Inc. Optical redundancy
US10230458B2 (en) 2013-06-10 2019-03-12 Nxp Usa, Inc. Optical die test interface with separate voltages for adjacent electrodes
US9442254B2 (en) 2013-06-10 2016-09-13 Freescale Semiconductor, Inc. Method and apparatus for beam control with optical MEMS beam waveguide
US9261556B2 (en) 2013-06-10 2016-02-16 Freescale Semiconductor, Inc. Optical wafer and die probe testing
US9435952B2 (en) 2013-06-10 2016-09-06 Freescale Semiconductor, Inc. Integration of a MEMS beam with optical waveguide and deflection in two dimensions
US9407066B2 (en) * 2013-07-24 2016-08-02 GlobalFoundries, Inc. III-V lasers with integrated silicon photonic circuits
CN104319628B (zh) * 2014-10-24 2018-04-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 外腔相干垂直腔面发射半导体激光器
US9735545B1 (en) 2016-07-08 2017-08-15 Northrop Grumman Systems Corporation Vertical cavity surface emitting laser with composite reflectors
US10177856B2 (en) * 2016-08-18 2019-01-08 Raytheon Company Systems and methods for demodulation of phase modulated optical signals
US10256917B2 (en) 2016-09-27 2019-04-09 Raytheon Company Optically sensed demodulation systems and methods for optical communications
US10313022B2 (en) 2016-09-27 2019-06-04 Raytheon Company Active demodulation systems and methods for optical signals
US10530494B2 (en) 2016-09-27 2020-01-07 Raytheon Company Systems and methods for detection and demodulation of optical communication signals
US10225020B2 (en) 2016-10-07 2019-03-05 Raytheon Company Systems and methods for demodulation of PSK modulated optical signals
US10243673B2 (en) 2016-11-18 2019-03-26 Raytheon Company Frequency demodulation systems and methods for optical signals
US10243670B2 (en) 2016-11-18 2019-03-26 Raytheon Company Optical signal processing using an optical resonator
US10305602B2 (en) 2016-11-18 2019-05-28 Raytheon Company Demodulation of QAM modulated optical beam using Fabry-Perot etalons and microring demodulators
US10116115B2 (en) * 2017-02-22 2018-10-30 Geoff W. Taylor Integrated circuit implementing a VCSEL array or VCSEL device
CA3068290A1 (en) 2017-06-30 2019-01-03 Raytheon Company Optical rake receiver using an etalon detector
AU2018367362B2 (en) 2017-11-17 2020-06-18 Raytheon Company Systems and methods for demodulation of wave division multiplexed optical signals
AU2019231761B2 (en) 2018-03-09 2020-09-17 Raytheon Company Demodulation of phase modulated signals using threshold detection
WO2019199650A1 (en) * 2018-04-12 2019-10-17 Raytheon Company Phase change detection in optical signals
GB201918310D0 (en) * 2019-12-12 2020-01-29 Mas Innovation Private Ltd Absorbent component
US11201677B1 (en) 2020-06-08 2021-12-14 Raytheon Company Hard-to-intercept multiple coherent transmitter communications
US11303360B2 (en) 2020-06-22 2022-04-12 Raytheon Company Methods and apparatus supporting non-persistent communications
US11251783B1 (en) 2020-12-15 2022-02-15 Raytheon Company Demodulation methods and devices for frequency-modulated (FM) signals

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2841570B2 (ja) * 1989-11-06 1998-12-24 松下電器産業株式会社 外部共振器型半導体レーザ及びこれを用いた光伝送装置
JP2768154B2 (ja) * 1992-08-07 1998-06-25 松下電器産業株式会社 光学デバイスとその製造方法
US5912913A (en) 1995-12-27 1999-06-15 Hitachi, Ltd. Vertical cavity surface emitting laser, optical transmitter-receiver module using the laser, and parallel processing system using the laser
EP1053574A4 (en) 1997-12-29 2002-11-06 Coretek Inc FABRY-PEROT FILTER AND LASER WITH SURFACE EMISSION AND VERTICAL, CONFOCAL CAVITY, TUNABLE BY MICROELECTROMECHANICS
US6088376A (en) 1998-03-16 2000-07-11 California Institute Of Technology Vertical-cavity-surface-emitting semiconductor devices with fiber-coupled optical cavity
US6328482B1 (en) * 1998-06-08 2001-12-11 Benjamin Bin Jian Multilayer optical fiber coupler
JP2003060299A (ja) * 2001-06-07 2003-02-28 Ricoh Opt Ind Co Ltd 光出力素子・光出力素子アレイおよびレンズ素子・レンズ素子アレイ
US6669367B2 (en) * 2001-10-10 2003-12-30 Applied Optoelectronics, Inc. Optical fiber with mirror for semiconductor laser
US6810066B2 (en) 2002-02-20 2004-10-26 Agilent Technologies, Inc. Fiber-coupled tunable single-mode long-wavelength vertical-cavity laser
US20030185269A1 (en) 2002-03-26 2003-10-02 Gutin Mikhail A. Fiber-coupled vertical-cavity surface emitting laser
JP2005223111A (ja) 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 波長可変レーザー
JP2007173550A (ja) 2005-12-22 2007-07-05 Yokogawa Electric Corp 波長可変レーザ
JP2010251649A (ja) * 2009-04-20 2010-11-04 Hitachi Ltd 面出射型レーザモジュールおよび面受光型モジュール
WO2010138524A2 (en) 2009-05-27 2010-12-02 The Regents Of The University Of California Monolithically integrated multi-wavelength high-contrast grating vcsel array
JP5105626B2 (ja) 2009-10-09 2012-12-26 株式会社リコー 面発光レーザ素子およびその作製方法および面発光レーザアレイおよび波長多重伝送システム
US8399292B2 (en) * 2010-06-30 2013-03-19 International Business Machines Corporation Fabricating a semiconductor chip with backside optical vias
US8654812B2 (en) * 2011-01-25 2014-02-18 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Q-switched grating vertical-cavity surface-emitting laser system and method for fabricating the same

Also Published As

Publication number Publication date
US20130272337A1 (en) 2013-10-17
JP2013545318A (ja) 2013-12-19
TW201232977A (en) 2012-08-01
US9711947B2 (en) 2017-07-18
WO2012087282A1 (en) 2012-06-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI429152B (zh) 垂直空腔表面發射雷射系統及其製造方法
JP5038371B2 (ja) 面発光レーザの製造方法
US6744805B2 (en) Single mode operation of microelectromechanically tunable, half-symmetric, vertical cavity surface emitting lasers
US6806110B2 (en) Monolithic multi-wavelength vertical-cavity surface emitting laser array and method of manufacture therefor
JP3791584B2 (ja) 面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイ
US8982921B2 (en) Semiconductor lasers and etched-facet integrated devices having H-shaped windows
CA2436737A1 (en) Tunable fabry-perot filter and tunable vertical cavity surface emitting laser
US20020048301A1 (en) Single mode operation of microelectromechanically tunable, half-symmetric, vertical cavity surface emitting lasers
US8654812B2 (en) Q-switched grating vertical-cavity surface-emitting laser system and method for fabricating the same
US7333522B2 (en) Polarization control of vertical diode lasers by monolithically integrated surface grating
TW201207455A (en) Optical grating coupler
CA2556709A1 (en) Methods for polarization control for vcsels
EP2033281B1 (en) A method for fabricating a photonic crystal or photonic bandgap vertical-cavity surface-emitting laser
JP7328582B2 (ja) モノリシックミラーの作製方法
JP3536835B2 (ja) 発光素子及びその製造方法
WO2023224546A1 (en) Semiconductor laser, electronic device and method of manufacturing a semiconductor laser
JP2013115146A (ja) 面発光レーザ素子及び面発光レーザ素子の製造方法
AU2003262330A1 (en) Microelectromechanically tunable, confocal, vertical cavity surface emitting laser and fabry-perot filter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees