TWI487223B - 高密度雷射光學器件 - Google Patents

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TWI487223B
TWI487223B TW101148278A TW101148278A TWI487223B TW I487223 B TWI487223 B TW I487223B TW 101148278 A TW101148278 A TW 101148278A TW 101148278 A TW101148278 A TW 101148278A TW I487223 B TWI487223 B TW I487223B
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Michael Renne Ty Tan
David A Fattal
Wayne V Sorin
Sagi Varghese Mathai
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Hewlett Packard Development Co
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Description

高密度雷射光學器件
本發明關於一種高密度雷射光學器件。
經由波導進行光的傳送已經被使用在眾多類型的通信應用中。光信號提供優於電子信號的潛在優點。光源能夠由半導體裝置來創造，例如，該等半導體裝置包含發光二極體以及雷射二極體。
光纖係當作光信號的傳送媒介。單一光纖能夠在其裡面一次攜載數個不同的調變信號。舉例來說，波長分割多工(wavelength division multiplexing)可以將光纖的頻寬分割成多條不同的通道(每一條通道皆含有一個小範圍的波長)並且因而可一次傳送數個不同的光波長(舉例來說，光信號)。利用此種系統需要針對該等不同的波長使用到多個光源。
本發明的範例包含用於雷射光學器件的設備、方法、以及機器可讀取和可執行的指令及/或邏輯。本發明中所提供之範例的施行方式提供一種使用多重波長的高密度光學引擎。
根據本發明的高密度雷射光學器件的一範例包含：位於一一體成形集成式陣列之中的第一複數個VCSEL；一HCG，其已整合該等第一複數個VCSEL中每一者的一垂直空腔的一孔徑，用以達成發射複數個雷射 照射波長中的單一雷射照射波長；以及複數條單模波導，每一條單模波導皆已整合一光柵耦合器，該等單模波導會被連接至該等第一複數個已整合的VCSEL和該等HCG中的每一者，其中，該等光柵耦合器中的每一者皆會對齊一已整合的VCSEL和HCG。
100‧‧‧已整合HCG的VCSEL
101‧‧‧垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)
102‧‧‧垂直空腔孔徑
103‧‧‧高對比光柵(HCG)
104‧‧‧間距
105‧‧‧實體條紋的寬度
106‧‧‧空白空間
107‧‧‧垂直空腔
108‧‧‧主動區
110‧‧‧底部面鏡
215‧‧‧已整合一單模波導的光柵耦合器
218‧‧‧光柵耦合器
220‧‧‧間距
222‧‧‧入射光
224‧‧‧(未定義)
226‧‧‧單模波導
228‧‧‧基板
330‧‧‧已整合被連接至整合HCG之VCSEL的光柵耦合器的單模波導
332‧‧‧基板
334‧‧‧單模波導
336‧‧‧光柵耦合器
337‧‧‧入射光射束
339‧‧‧焊料凸塊圖樣
440‧‧‧已整合複數個VCSEL的波長分割多工器(WDM)
441‧‧‧波長分割多工器(WDM)
442‧‧‧平台
443‧‧‧一體成形集成式陣列
444-1~444-N‧‧‧高對比光柵(HCG)
445-1~445-N‧‧‧已整合光柵耦合器的單模波導
446‧‧‧第一自由空間傳導區
447‧‧‧多條分離的通道波導
448‧‧‧第二自由空間傳導區
449‧‧‧單一光學波導
541‧‧‧波長分割多工器(WDM)
546‧‧‧第一自由空間傳導區
547‧‧‧多條分離的通道波導
548‧‧‧第二自由空間傳導區
550‧‧‧已整合複數個一體成形集成式VCSEL陣列的波長分割多工器(WDM)
552-1~552-M‧‧‧一體成形集成式VCSEL陣列
553-1~553-M‧‧‧已整合光柵耦合器的單模波導
555‧‧‧單一光學波導
660‧‧‧關係圖
663‧‧‧間距
665‧‧‧工作週期
668‧‧‧共振波長範圍
670‧‧‧Q值為至少1,000的區域
673‧‧‧Q值為至少10,000的區域
圖1所示的係根據本發明之已整合一高對比光柵(High Contrast Grating，HCG)的垂直空腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)的範例。
圖2所示的係根據本發明之已整合一單模波導的光柵耦合器的範例。
圖3所示的係根據本發明之已整合一被連接至一整合HCG之VCSEL的光柵耦合器的單模波導的範例。
圖4所示的係根據本發明之已整合複數個VCSEL的波長分割多工器(wavelength division multiplexer)的範例。
圖5所示的係根據本發明之已整合複數個一體成形集成式VCSEL陣列的波長分割多工器的範例。
圖6所示的係根據本發明，受到一HCG之特殊間距和特殊工作週期作用的VCSEL所發出之共振波長的範例關係圖。
圖7所示的係根據本發明所形成的一雷射光學器件設備的範例。
相較於電氣互連，舉例來說，因為低功率消耗以及小尺寸的關係，操作在每秒1兆位元(terabit)以上之頻寬處的高速光學互連係一種引 人注目的操作選項。波長分割多工能夠提供高頻寬兆位元光纖(舉例來說，每秒1兆位元以上)。於此等應用中可能會希望用到一體成形集成式低成本多重波長雷射源。VCSEL便係一種用於多重波長雷射源的有效操作選項，其好處包含表面垂直發射、低成本製造、以及晶圓級測試。再者，多重波長VCSEL雷射源還可以針對各種範圍的應用提供節省成本的解決方案，舉例來說，該等應用包含光學通信系統(例如，位於資料中心中)。
圖1所示的係根據本發明之已整合一HCG的VCSEL的範例。VCSEL能夠以各種配置來形成，該等配置可能包含各種組成，舉例來說，尤其是p接點、n接點、犧牲層、氧化物層、鈍化層。為達本發明之目的，本文中會討論和產生及/或發射離散雷射照射波長直接有關的組成。
在本發明的詳細說明中會參考隨附圖式，該等圖式構成本發明的一部分而且圖中透過圖解來顯示本發明的範例可以如何被實行。此等範例會非常詳細地被說明，以便讓熟練的技術人士能夠實行本發明的範例，並且應該瞭解的係，亦可以運用其它範例並且可以進行製程、電氣、及/或結構性的改變，其並不會脫離本發明的範疇。進一步言之，合適的話，本文中所使用到的「舉例來說(for example)」以及「透過範例來說明(by way of example)」皆應該被理解成「透過範例來說明，但並沒有任何限制意義(by way of example and not by way of limitation)」。
本文中的圖式後面有一編號，其中，第一個數字對應於繪圖的圖號，而其餘數字則表示該圖之中的元件或組件。不同圖式之間相同的元件或組件可能會利用相同的數字來表示。舉例來說，116可能表示圖1之中的元件「16」，而相同的元件在圖2之中則可能會表示成216。本文各圖 之中所示的元件可以新增、交換、及/或刪除，以便提供本發明的額外範例。此外，該等圖式之中所提供之元件的比例和相對大小的用意在於圖解本發明的範例，而不應該被視為具有限制意義。
如圖1之中所示，已整合一HCG的VCSEL 100的範例可能包含一具有一垂直空腔孔徑102的VCSEL範例101(舉例來說，相對於該VCSEL 101的其它組件，該垂直空腔孔徑102係和它的頂端表面相關聯)。一HCG 103可能會整合該垂直空腔孔徑102。於某些範例中，該HCG 103還能夠充當該VCSEL 101的頂端面鏡。
HCG 103可能會被形成包含一光柵，其具有一特殊間距104以及一特殊的工作週期(舉例來說，除了其它合宜的蝕刻技術以外，可以透過對該頂端面鏡進行電子射束微影術)。如本發明之中的用法，光柵間距104的意義為介於該光柵的其中一個實體條紋的起點和該光柵的一相鄰實體條紋的起點之間的規律重複距離。就此來說，間距104跨越其中一條實體條紋的寬度105以及一介於相鄰實體條紋之間的相鄰空白空間106。如本發明之中的用法，一光柵的工作週期的意義為實體條紋的寬度105和間距104的比值。間距104可能會在整個HCG之跨幅中維持恆定，因為該等實體條紋的寬度105以及空白空間106皆可能維持恆定，這亦能夠讓工作週期在整個HCG之跨幅中維持恆定。
該已整合一HCG的VCSEL 100的範例可能會被形成在該HCG 103底下包含一垂直空腔107的下削部分(舉例來說，透過合宜的底部蝕刻技術)。為達解釋之目的，該垂直空腔107在圖1之中雖然似乎未被佔用；然而，於不同的範例中，該垂直空腔107卻可能填充著各種氣態材料、 液態材料、及/或固態材料(舉例來說，如本文中或其它說明)。一主動區108可能會被形成在該垂直空腔107的下削部分底下。該主動區108可能係由數層增益媒介材料所構成，該等增益媒介材料會在受到電刺激時放大一特殊數量波長或是一特殊範圍波長的光子生成。
該已整合一HCG的VCSEL 100的範例可能會被形成用以在該主動區108底下包含能夠作為一底部面鏡110的數層。於某些範例中，該底部面鏡110中複數層所組成的預設結構會導致該底部面鏡110形成分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)。
當一電子和一電洞出現在相同的區域之中時，它們可能會再組合或是「湮滅(annihilate)」，其結果係會自發性發光，也就是，該電子可能會重新佔據該電洞的能量狀態，從而發出一能量等於所牽涉到之電子狀態和電洞狀態之間差異的光子。本文中提出的數種材料係能夠被用來創造會發出光子之接面二極體的化合物半導體材料的範例。一能量等於該再組合能量的鄰近光子能夠因受激發射(stimulated emission)而造成再組合。這能夠產生相同頻率的另一個光子，其會在相同的方向中前進，具有和該第一光子相同的偏振與相位。受激發射會在該注入區中於一光波(舉例來說，具有一特殊的波長)之中造成增益，而且當整個接面中被注入的電子和電洞的數量增加時，該增益也會提高。
一增益區可能與一光學空腔相關聯，因此，光會被侷限至一非常狹窄的直線。該空腔的兩端會形成光滑、平行的邊緣，從而形成法布立-培若得共振器(Fabry-Pérot resonator)。光子可能會在被發射之前從每一個末端面處被反射數次。當一光波通過該空腔時，其會藉由受激發射而被放 大。倘若放大多過損耗(舉例來說，由於吸收的關係及/或在該等末端小面處不完全反射)的話，該二極體便會開始進行「雷射照射」。
影響被發射的光子波長的部分特性可能係由該光學空腔的幾何形狀來決定。於一垂直的方向中，光可能會被侷限在一薄層之中，而且該結構可以在一垂直於該等層的方向之中支援單一光學模式。於一橫向的方向中，倘若該光學空腔比光的波長還寬的話，那麼，該波導便能夠支援多重橫向光學模式，而且該雷射便係已知的「多重模式(multi-mode)」。於需要一小型聚焦射束的應用中，該光學空腔可能會被製成很狹窄，具有光學波長的大小等級。因此，支援單一橫向模式。除了其它應用之外，此等單模雷射還可用於光學儲存、雷射指示筆(laser pointer)、以及雷射光學器件。
雷射之中的一種模式為駐光波(standing lightwave)。某些雷射為多重模式，其可能肇因於各種因素，舉例來說，除了其它考量之外，該等因素還包含光學空腔的尺寸和形狀、主動區的特殊材料和配置、以及面鏡的類型。以此等考量為基礎，一多模雷射可以透過整合一HCG和一垂直空腔孔徑而變成單模雷射。已整合一VCSEL之垂直空腔孔徑的HCG的厚度、間距、及/或工作週期能夠在該空腔之中支援單一駐光波(舉例來說，具有單一縱向參數和垂直參數)，所以，該雷射便能夠發出單一雷射照射波長。於某些範例中，單一雷射照射波長可能於一奈米(nm)的範圍裡包含數個波長。此外，如本文中所述，該HCG的厚度、間距、及/或工作週期亦能夠被調整成用以改變該VCSEL的該單一模式以及該雷射所發出的單一雷射照射波長。
會影響一HCG之孔徑大小的此等特徵變異亦可能會影響該 HCG的反射係數。因此，孔徑的大小及/或反射係數的改變可能經過選擇以便形成一單模雷射。所以，選擇不同的HCG特徵可能會導致能夠被該VCSEL發射的波長產生差異，並且從而提高該VCSEL當作單模雷射來操作的能力。舉例來說，HCG的該等特殊特徵在較高階模式中產生的損耗(舉例來說，於該雷射空腔之中)會大於較低階的模式(舉例來說，因為較低階模式的反射係數較高)。
被發射的波長可能會以該半導體的能隙及該光學空腔之該等模式為函數。一般來說，最大增益會出現在能量略高於該能隙能量的光子中，而且最接近該增益尖峰的模式將會以最強烈的方式進行雷射照射。某些雷射二極體(例如，大部分的可見光雷射)係操作在單一波長處，但是，該波長卻可能會由於電流或溫度變動的關係而不穩定。
由於繞射的關係，一射束可能會在離開該雷射(舉例來說，一位於一晶片上的半導體雷射)之後迅速地發散。於某些情形中，可能會使用數個透鏡來形成一準直射束。對VCSEL來說，使用對稱的透鏡，由於垂直發散和橫向發散的差異的關係，該準直射束的形狀會是橢圓形。使用一集成式HCG可以至少部分取代準直透鏡，同時還會將被發射的光子變成單一雷射照射波長或是變成狹窄的雷射照射波長頻帶。
於某些情形中，一低能隙材料層可能會被夾設在兩個高能隙材料層之間。其中一對此種材料為砷化鎵(GaAs)和砷化鋁鎵(Alx Ga(1-x) As)。E該區域為同時存在自由電子和電洞的主動區，其可能會被侷限在一薄的中間層中，俾使得會有更多的電子電洞對達成放大作用，而不會有過多的電子電洞對遺留在不良放大的周圍處。此外，光子還可能會從一介於該等兩 種材料之間的接面處被反射，俾使得該等光子會被侷限在該會發生放大作用的主動區處。
倘若該中間層夠薄的話，其便可以充當一量子井，其中，一電子的波函數的垂直變異會被量化，且因此，它的能量的分量也會被量化。一量子井雷射的效率可能大於一體雷射(bulk laser)的效率，因為量子井之中的電子的狀態函數的密度可能有一陡峭的邊緣，其會將電子聚集在可達到雷射作用的能量狀態中。含有一個以上量子井層的雷射可被稱為「多重量子井」雷射。多重量子井可以改善增益區和光學波導模式的重疊。藉由將該量子井層變成一量子線或是變成一由多個量子點構成的「海」可以達到進一步改善雷射效率的目的。
一如同剛才所述的量子井二極體可能會有一薄層，其會太薄而無法有效地侷限光。為達補償之目的，舉例來說，可以在前面三層的外側增加另外兩層。此等層的折射率可能低於該等中間層，且因此，可更有效地侷限該等光子。
VCSEL在電流流動的方向中會有一光學空腔軸，而並非(舉例來說，如同其它雷射二極體般)在垂直於該電流流動的方向中。主動區的長度短於該等橫向維度，因此，該等光子會從該空腔的頂端表面處流出，而並非從它的邊緣處。在該空腔之頂端和底部處的反射器可能係由高折射率材料及低折射率材料組成的交替層所製成的介電質面鏡(dielectric mirror)，厚度為四分之一波長，它們可能為DBR面鏡。倘若該等交替層的厚度以及該等折射率會使得它們在該等介面處造成部分反射波的結構性干涉的話，此等DBR面鏡便可以在一所希的自由表面波長處提供很高程度的 波長選擇性反射。
相較於生產邊緣發射式雷射，生產VCSEL有數項優點。邊緣發射器在生產製程結束之前都不會被測試。倘若該邊緣發射器不運作的話，不論究竟係肇因於不良接點或不適當的材料成長品質，生產時間都可能會增加，而且處理材料亦可能會被犧牲。除此之外，因為VCSEL會發射垂直於該雷射之主動區的射束，和邊緣發射器的平行方式相反，所以，可以在單一基板上同步處理眾多的(舉例來說，數千個)VCSEL(舉例來說，以一體成形的方式形成在單一半導體晶片上)。據此，相較於邊緣發射式雷射，VCSEL的產量可以被控制在更能夠預測的結果。
圖2所示的係根據本發明之已整合一單模波導的光柵耦合器的範例。圖2中所示之已整合一單模波導的光柵耦合器215可能包含一光柵耦合器218，其中，該光柵具有一用以折射入射光222的預設間距220，舉例來說，該入射光222具有一特殊波長及/或會和法線(舉例來說，垂直於該光柵)形成一特殊的入射角。除了工作週期之外，該光柵耦合器218的間距220亦能夠折射，俾使得該入射光222能夠沿著一單模波導226於一預期的方向中前進。
該單模波導226會受到一基板228的支撐。於不同的範例中，該基板228可能包含折射率及/或反射率不同於該單模波導226的數層。因此，舉例來說，該基板228可能具有一相鄰於該單模波導226的氧化物層，該氧化物層係被形成在一矽層之上。
舉例來說，藉由下面的公式能夠利用該波導的有效折射率neff(舉例來說，相對於空氣被正規化的傳導向量)來針對一位於和法線形成 特殊入射角(Φ)(舉例來說，該入射光被提供為正交於該光柵時，Φ會有0.0的數值)之特殊入射光波長(λ)事先決定用以沿著該波導來折射光的光柵的間距(Λ)：Λ=λ/(neff-sin Φ)於不同的範例中，可以藉由下面方式來改善該光柵耦合器的效率：由高折射率的矽來形成該光柵耦合器、利用一閃耀式光柵(blazed grating)來形成該光柵耦合器、及/或在該光柵的下方放置一反射材料(舉例來說，一面鏡)。
於雷射光學通信中，單模波導可能係一被設計成用以僅攜載單一空間模式的光的光纖。在本文中，模式為波的赫爾姆霍茲方程式(Helmholtz Equation)的可能解(possible solution)，該方程式係藉由組合馬克斯威爾方程式(Maxwell's equations)和邊界條件(boundary conditions)所取得。此等模式定義波前進穿過空間的方式(舉例來說，該波如何分佈在空間中)。多個光波可能具有相同的模式，但卻可能有不同的頻率。這便可能係單模波導中的情況，其能夠攜載不同頻率但卻有相同空間模式的光波，這意謂著它們以相同的方式分佈在空間中。
單模波導能夠呈現的模態色散(Modal dispersion)明顯少於多模波導。所以，單模波導在較長的距離中保持每一個光脈衝之保真性方面會優於多模波導。基於此等理由，單模波導可能會有高於多模波導的頻寬。
圖3所示的係根據本發明之已整合一被連接至一整合HCG之VCSEL的光柵耦合器的單模波導的範例。圖3中所示之已整合被連接至整合HCG之VCSEL的光柵耦合器的單模波導330可能包含被形成在一基板332上(舉例來說，尤其是，矽上二氧化矽(silica on silicon))。
本文中所述之已整合光柵耦合器336的單模波導334會被形成在基板332之上。該單模波導334具有較寬的過渡區用以整合該光柵耦合器336，以便提供一漏斗區讓光子進入一比該光柵耦合器336上之入射光射束337的面積還窄的路徑之中。
入射光射束337係由已整合HCG的單一VCSEL(圖中並未顯示)所發出，如本文中所述，其被定位在該光柵耦合器336的旁邊，俾使得從該處所發出之(具有特殊雷射照射波長的)光子會撞擊該光柵耦合器336。基板332之上可能包含一由多個焊料凸塊組成的圖樣339(舉例來說，其係各種圖樣中的其中一者)。該已整合HCG的單一VCSEL(舉例來說，操作在單一模式之中)之上可能包含一對應的焊料凸塊圖樣(舉例來說，包圍該垂直空腔的孔徑)。因此，藉由匹配該等對應圖樣之中的焊料凸塊，該已整合HCG的單一VCSEL便能夠自動對齊該光柵耦合器336。在此自動對齊之後，一黏接線便會被形成在該等已匹配的焊料凸塊之間(舉例來說，藉由加熱該等已匹配的焊料凸塊)。
舉例來說，此自動對齊可藉由「覆晶(flip-chip)」製程讓該已整合HCG的單一VCSEL(舉例來說，在單一半導體晶片上)覆接在其上具有該焊料凸塊圖樣339的基板332上來實施，俾使得該已整合HCG的單一VCSEL上對應的焊料凸塊圖樣會匹配該基板332上對應的焊料凸塊圖樣。同樣地，舉例來說，於一一體成形集成式陣列(舉例來說，位於單一半導體晶片上)之中的複數個VCSEL(舉例來說，每一者皆操作在單一模式之中)能夠藉由該覆晶製程以群組的方式各自自動對齊被定位在該基板上之多條分離的單模波導的複數個光柵耦合器。於某些範例中，該已整合HCG的單一 VCSEL及/或一一體成形集成式陣列(舉例來說，位於單一半導體晶片上)之中的該等複數個VCSEL會直接被覆晶在一平台材料上並且與其黏接。
該入射光的輸入角度(舉例來說，要在一特殊單模波導的路徑中被折射的入射光222和法線所形成的特殊入射角(Φ)，如圖2之中所示)可能會改變。於不同的範例中，可能會藉由改變該等焊料凸塊中一部分或全部的高度來決定該輸入角度。於不同的範例中，可能會藉由於該等焊料凸塊中一部分或全部的預期位置下方的平台材料之中蝕刻一特定的深度來決定該輸入角度。
圖4所示的係根據本發明之已整合複數個VCSEL的波長分割多工器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)的範例。舉例來說，圖4之中所示的已整合複數個VCSEL(舉例來說，每一者皆操作在單一模式之中)的WDM 440可能會被形成在一平台442上(舉例來說，除了其它材料之外還包含矽質平面光波電路(Planar Lightwave Circuit，PLC)上玻璃或矽質PLC上二氧化矽)。於某些範例中，該平台可能會從和圖3中所示之基板332相同或雷同的材料處共同延伸及/或由和圖3中所示之基板332相同或雷同的材料所構成。
舉例來說，該平台442會支撐一一體成形集成式陣列443(舉例來說，位於單一半導體晶片上)，該陣列整合複數個VCSEL以及HCG 444-1至444-N。該等已整合HCG 444-1至444-N的複數個VCSEL中的每一者雖然被形成用以產生相同的光波長(舉例來說，藉由利用相同的空腔尺寸與形狀、相同的主動區、相同的DBR面鏡、…等所形成)；然而，從該等已整合HCG 444-1至444-N的VCSEL中的每一者所發出的雷射照射波長仍可如同 本文中所述般藉由改變已整合該等複數個VCSEL中每一者之垂直空腔孔徑的特殊HCG的間距及/或工作週期(舉例來說，假定有固定的厚度)而使得該等複數個波長互不相同。因此，該等已整合HCG 444-1至444-N的複數個VCSEL中的每一者能夠發出不同的雷射照射波長(舉例來說，藉由讓每一個VCSEL操作在單一模式之中)。舉例來說，圖4中所示的一體成形集成式陣列443能夠從其上已形成HCG的八個單模VCSEL處發出八種不同的雷射照射波長。
如本文中所述，已整合光柵耦合器的複數條單模波導445-1至445-N會被連接至該等已整合HCG 444-1至444-N的複數個VCSEL中的每一者(舉例來說，藉由覆晶製程進行自動對齊)。舉例來說，圖4中所示的一體成形集成式陣列443能夠從其上已形成HCG的八個單模VCSEL處發出八種不同的雷射照射波長，該等雷射照射波長會被已整合光柵耦合器的八條單模波導收集和傳送。如本文中所述，該等不同的雷射照射波長中的每一者皆可被視為一雷射光學器件「通道(channel)」。
該等已整合光柵耦合器的複數條單模波導445-1至445-N中的每一者會被聚集用以將該等被傳送的不同雷射照射波長饋送至WDM 441的一輸入之中。如本文中所述，該WDM 441可能係一陣列式波長光柵(Arrayed Wavelength Grating，AWG)，其中，該等不同的雷射照射波長會被輸入至一第一自由空間傳導區446之中。
外來的光會橫越該第一自由空間傳導區446並且進入一束分離的通道波導447中。該等通道波導447有不同的長度並且因而會在該光進入第二自由空間傳導區448時於該等通道波導447的出口處施加不同的相 位偏移，該等不同波長中的每一者會在該第二自由空間傳導區448處被組合，以便輸出在單一光學波導449之中。當如同剛才所述般操作時，該AWG具有如同多工器般的功能。
當操作在一反向方向中時，該AWG則具有如同解多工器般的功能。舉例來說，當複數個波長經由單一光學波導被輸入時，它們會在複數條單模波導的入口處進行干涉俾使得每一條輸出通道僅會接收一特定波長的光。
該AWG可能包含隨著一恆定的長度增額增加的波導數量。當具有如同解多工器般的功能時，光會透過單一光學波導被輸入至該裝置之中。光會繞射至該輸入波導的外面並且傳導通過該第二自由空間傳導區並且以高斯分佈來照射該等波導。被耦合至該等波導的每一個光波長皆會產生一肇因於該等波導中該恆定長度遞增額的恆定相位變化。從每一條波導處被繞射的光皆會產生結構性干涉並且重新聚焦在該等分離的通道波導處，該空間位置和該等輸出通道會波長相依於該相位偏移。
AWG可作為WDM系統之中的光學(解)多工器。AWG能夠將大量的波長多工處理至單一光學波導之中，從而提高光學網路的傳送能力。AWG係以不同波長的光波彼此會線性干涉的光學器件基礎原理為基礎。這意謂著，倘若一光學通信網路中的每一條通道運用有些許不同波長的光的話，那麼，來自大量此等通道的光便能夠藉由單一光學波導來攜載而可以省略該等通道之間的串訊。因此，該等AWG能夠被用來在一光學通信網路的傳送端多工處理單一光學波導上數種波長的通道並且還能夠作為解多工器用以在接收端擷取具有不同波長的個別通道。
圖5所示的係根據本發明之已整合複數個一體成形集成式VCSEL陣列的WDM的範例。舉例來說，圖5中所示之已整合複數個一體成形集成式VCSEL陣列的WDM 550可能包含一如本文中所述的WDM 541。
該WDM 541可能已整合複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M(舉例來說，該等一體成形集成式陣列中的每一者已被整合在單一半導體晶片上)。該等一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中的每一者可能皆包含其上已形成HCG的複數個VCSEL(舉例來說，如圖4之中所示)。一一體成形集成式陣列上已整合HCG的該等複數個VCSEL中的每一者雖然被形成用以產生相同的光波長(舉例來說，藉由利用相同的空腔尺寸與形狀、相同的主動區、相同的DBR面鏡、…等所形成)；然而，該等複數個一體成形集成式陣列中一不同陣列上已整合HCG的該等複數個VCSEL中的每一者則會被形成用以產生不相同的光波長(舉例來說，藉由利用不相同的空腔尺寸與形狀、不相同的主動區、不相同的DBR面鏡、…等所形成)。
從該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中每一者之上已整合HCG的該等VCSEL中每一者處所發出的雷射照射波長會不同於從該等複數個VCSEL中其它者處所發出的雷射照射波長。除了如本文中所述般改變已整合該等複數個VCSEL中每一者之垂直空腔孔徑的特殊HCG的間距及/或工作週期(舉例來說，假定有固定的厚度)之外，這亦能夠藉由讓該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中的每一者被形成用以產生一不同波長或是一不同的波長範圍來達成。因此，該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中每一者之上已整合 HCG的該等VCSEL中的每一者能夠藉由讓該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中的每一者發出一不同的波長範圍而發出一不同的雷射照射波長。舉例來說，圖5中所示的八個一體成形集成式陣列能夠各自從其上已形成HCG的八個單模VCSEL處發出八種不同的雷射照射波長。
如本文中所述，已整合光柵耦合器的複數條單模波導553-1至553-M會被連接至該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列552-1至552-M中每一者之上已整合HCG的該等VCSEL中的每一者(舉例來說，藉由覆晶製程進行自動對齊)。舉例來說，圖5中所示的八個一體成形集成式陣列552-1至552-M中的每一者能夠從其上已形成HCG的八個單模VCSEL處發出八種不同的雷射照射波長，該等雷射照射波長會被已整合光柵耦合器的64條單模波導收集和傳送。如本文中所述，因為該等該等不同的雷射照射波長中的每一者皆可被視為一雷射光學器件通道，所以，圖5顯示出有64條通道被輸入至該WDM 541之中。
已整合光柵耦合器的該等複數條單模波導553-1至553-M中的每一者會被聚集用以將該等被傳送的不同雷射照射波長饋送至WDM 541的一輸入之中，其中，該等不同的雷射照射波長會被輸入至一第一自由空間傳導區546之中。外來的光會橫越該第一自由空間傳導區546並且進入分離的通道波導束547中。該等通道波導547有不同的長度並且因而會在該光進入第二自由空間傳導區548時於該等通道波導547的出口處施加不同的相位偏移，該等不同波長中的每一者會在該第二自由空間傳導區548處被組合，以便輸出在單一光學波導555之中。如圖5之中所示，該單一光學波導 555能夠攜載由從該等複數個一體成形集成式陣列中每一者之中的複數個VCSEL(舉例來說，每一者皆操作在單一模式之中)所發出的不同雷射照射波長的總數量所決定的通道數量，於此範例中為64條通道。
如圖4之中所示，舉例來說，圖5中所示之已整合該等複數個一體成形集成式VCSEL陣列的WDM 550可能會被形成在單一平台上(舉例來說，除了其它材料之外還包含矽質PLC上玻璃或矽質PLC上二氧化矽)。於不同的範例中，多條電導線可能會被形成在該等複數個已整合的VCSEL和HCG以及WDM(舉例來說，其包含該等複數條單模波導)的該單一平台上。於不同的範例中，該等電導線能夠達到對包含要被該等已整合的VCSEL和HCG轉換成光之資料的驅動電流進行調變的目的。
圖6所示的係根據本發明，受到一HCG之特殊間距和特殊工作週期作用的VCSEL所發出之共振波長的範例關係圖。圖6中所示的關係圖660包含一垂直軸，其所示的係已整合VCSEL之垂直空腔孔徑的數個HCG中每一者的間距663，其係以奈米(nm)為單位。該關係圖還包含一水平軸，其所示的係已整合該等相同VCSEL之垂直空腔孔徑的該等數個HCG中每一者的工作週期665，其係以百分率來表示(工作週期比值乘以100)。
該等VCSEL中的每一者雖然被形成用以產生相同的(多個)光波長(舉例來說，藉由利用相同的空腔尺寸與形狀、相同的主動區、相同的DBR面鏡、…等所形成)；然而，該等複數個VCSEL中每一者之上的HCG的間距663及/或工作週期665的預設變化卻能夠導致發射一共振波長範圍。也就是，該等VCSEL中的每一者會有不同的共振波長，其會相依於其已整合之HCG的間距及/或工作週期的差異。
共振可能係一系統(舉例來說，一VCSEL)在特定頻率而非其它頻率處以較大振幅進行振盪的傾向。一雷射(舉例來說，一VCSEL)的光學空腔包含一由多個面鏡組成的排列，該等面鏡會形成光的駐波共振器。雷射的光學空腔和該主動區相關聯並且會提供由該主動區所產生的光的反射性回授。被侷限在該光學空腔之中的光會多次反射並且在特定的共振頻率處產生駐波。不同的共振頻率可藉由該配置中的差異及/或和該光學空腔相關聯的該等面鏡之間的距離而產生。如本發明中的說明，一已整合一VCSEL之垂直空腔孔徑的HCG係該等面鏡中的其中一者。因此，藉由改變已整合該垂直空腔孔徑的該特殊HCG的間距及/或工作週期(舉例來說，假定有固定的厚度)便能夠從被形成用以產生該(等)相同光波長的VCSEL處產生不同的共振頻率並且能夠發出不同的雷射照射波長。
如圖6的關係圖660之中所示，被形成用以產生該(等)相同光波長的VCSEL會有一共振波長範圍668(舉例來說，該等共振波長會變成被發射的雷射照射波長)，其中，該範圍之中的該等特殊波長會相依於該HCG的特殊間距及/或工作週期。關係圖660顯示出，該共振波長範圍668覆蓋至少55nm的範圍(舉例來說，從約820nm至約875nm；不過，圖中並未顯示完整的波長範圍)，其相依於針對該HCG所選擇的特殊間距663及/或特殊的工作週期665。於此範例中，保持HCG的工作週期665不變而延長間距663傾向於延長該VCSEL的共振波長。同樣地，保持HCG的間距663不變而提高工作週期665同樣會傾向於延長該VCSEL的共振波長。舉例來說，在400nm的間距處，50%的工作週期可能會導致約843nm的共振波長；而75%的工作週期則可能會導致約868nm的共振波長。剛才提出的 範例雖然和發出介於800至900nm之間的波長的VCSEL有關；不過，已結合HCG的個別VCSEL和多重波長VCSEL陣列亦能夠被施行在和本發明相符的任何所希波長範圍中。
如本發明之中所述，複數個VCSEL(每一者皆被形成用以產生(多個)相同的光波長)可能係在一一體成形集成式陣列之中，一HCG會整合每一者的一垂直空腔孔徑以便發射複數個不同雷射照射波長中的單一雷射照射波長(或是1nm以內的狹窄波長頻帶)。此外，於該等複數個一體成形集成式陣列之中不同陣列上的複數個VCSEL(舉例來說，每一者皆操作在單一模式之中)中的每一者皆會被形成用以產生不同的光波長，其中，該等複數個一體成形集成式陣列中每一者之上的HCG皆會被調整成用以產生共振波長，並且因而發射雷射照射波長，俾便每一個陣列的範圍會與該等複數個一體成形集成式陣列的所有其它範圍不同。
品質係數(也就是，Q值)係一無因次參數(dimensionless parameter)，其係描述一振盪器或是一共振器欠阻尼(under-damped)的情形，其會反映一共振器以其中央頻率為基準的頻寬。較高的Q值表示以已儲存的能量為基礎的能量損耗率比較低(舉例來說，共振頻率衰減比較緩慢)。一共振器產生共振的頻率範圍即為頻寬，而具有較高Q值的共振器會操作在較小的頻率範圍中並且比較穩定。不同系統之間的Q值實質上可能不同。重視阻尼的系統會有低的Q值(舉例來說，具有阻尼器用以避免猛烈關上的門可能會有約0.5的Q值)。相反地，需要強烈共振及/或高頻穩定性的其它系統則會有實質上較高的Q值(舉例來說，音叉的Q值約1,000，而原子鐘的Q值則為1011 或更大)。
藉由選擇特殊範圍中的間距及/或工作週期便能夠達成高Q值。舉例來說，關係圖660中標記為670的區域具有至少1,000的Q值。在該標記為670的區域中，選擇380nm的間距663，藉由在從40%至80%的完整範圍中改變工作週期665便能夠造成從約828nm至約863nm的共振波長範圍。因此，可以得到約30至40nm的頻寬，同時保持至少1,000的Q值。標記為673的區域具有至少10,000的Q值。在該標記為673的區域中，選擇380nm的間距663，藉由在從約46%至約68%的範圍中改變工作週期665便能夠造成從約836nm至約855nm的共振波長範圍。因此，可以得到約15至25nm的頻寬，同時保持至少10,000的Q值。
藉由將已整合HCG的VCSEL調整在2至4nm的小分離距離處便能夠穩定地維持多個不同的共振波長。因此，多條雷射光學器件通道能夠穩定地維持在2至4nm的小分離距離處。所以，如圖5之中所示，舉例來說，一WDM 541的單一光學波導555能夠攜載64條通道(舉例來說，在被分配在8個一體成形集成式陣列中的64個單模VCSEL所發出的64個不同的波長中)，其可能涵蓋128nm的小波長範圍。於某些範例中，該等波長可能有較寬的分離距離。據此，端視該單一光學波導所攜載的通道中波長的分隔距離及/或該等通道的數量而定，圖4和圖5中所示的WDM可能係寬鬆式波長分割多工器(Coarse Wavelength Division Multiplexer，CWDM)或是密集式波長分割多工器(Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM)。
如本文中所述般，一雷射光學器件設備的溫度在不同的範例中會影響該等VCSEL和該等HCG所產生及/或所發射的波長及/或會影響在該等WDM的通道之中所攜載的波長。舉例來說，在從攝氏25度至攝氏85 度的溫度變化中，此等波長可能會變動約3.5nm(舉例來說，攝氏一度變動約0.06nm)。因溫度變化所造成的此波長變動特別會影響通道分隔距離2至5nm的DWDM。進一步言之，舉例來說，因為CWDM和DWDM的折射率會隨著溫度變化而改變，所以，此溫度變化會藉由造成波長變動(舉例來說，變動為較長的距離)來影響它們的效能。
所以，穩定雷射光學器件設備的溫度能夠有助於減少因溫度變化的關係所造成的波長變動。舉例來說，於不同的範例中，其上定位著該雷射光學器件設備之已整合HCG的VCSEL、該等波導、及/或該WDM的平台可能會被一溫度穩定組件加熱或冷卻，俾使得該雷射光學器件設備的操作溫度對溫度的影響較低，並且因而對波長變動的影響較低。也就是，該溫度穩定組件會穩定該等複數個已整合之VCSEL和HCG(舉例來說，在操作時)的溫度。於某些範例中，該溫度穩定組件還能夠穩定該等複數個單模波導的溫度。舉例來說，該溫度穩定組件能夠操作用以抵消其它組件所產生的熱，以便將該等其它組件冷卻至比較穩定的溫度。在替代例中，或者，除此之外，舉例來說，該溫度穩定組件能夠操作用以將該等其它組件加熱至比較穩定的溫度，俾使得該等其它組件所造成的熱生成不會明顯地提高整體熱量。
圖7所示的係根據本發明所形成的一高密度雷射光學器件設備的範例。根據本文中所揭示之雷射光學器件設備的說明，於一一體成形集成式陣列之中有複數個VCSEL，如圖7的方塊780之中所示。於某些範例中，此等複數個VCSEL可能係複數個第一單模VCSEL，如本文中所述，其會不同於複數個第二單模VCSEL。如方塊782之中所示，其具有一HCG， 其已整合該等複數個第一VCSEL中每一者的一垂直空腔孔徑，用以發射複數個雷射照射波長中的單一雷射照射波長(藉由讓每一個VCSEL操作在單一模式之中)。該雷射光學器件設備的的範例包含複數條單模波導，每一條皆已整合一光柵耦合器，該等單模波導會被連接至該等複數個第一已整合的VCSEL和該等HCG中的每一者，其中，該等光柵耦合器中的每一者皆會對齊一已整合的VCSEL和HCG，如方塊784之中所示。
於本發明的某些範例中，該設備可能於一一體成形集成式陣列之中包含複數個第二VCSEL，其中，該等複數個第二VCSEL會被配置成用以產生一波長，該波長不同於被配置成用以由該等複數個第一VCSEL所產生的波長。為配置成用以產生不同的波長可藉由具有下面特性的第一單模VCSEL和第二單模VCSEL來達成，舉例來說，除了其它考量之外，該等第一單模VCSEL和第二單模VCSEL會具有：不同的光學空腔尺寸及/或形狀、不同的主動區材料及/或配置、及/或不同類型的面鏡。
如本文中所述，該等複數個第二VCSEL中的每一者於不同的範例中包含一已整合其一垂直空腔孔徑的HCG，俾使得由該等複數個第二VCSEL所發射的雷射照射波長的範圍會不同於由該等複數個第一VCSEL所發射的雷射照射波長的範圍。又，每一個HCG皆能夠讓該等複數個第一VCSEL及/或第二VCSEL中的每一者操作在單一模式之中，以便發射一不同的雷射照射波長。
如本文中所述，複數的意義為「二或多個」，其並沒有限制實際的數量。也就是，在範例中的複數個VCSEL或是複數個一體成形集成式陣列僅意謂著每一個特殊項有二或多個，其特殊數量則可能不同。
舉例來說，圖6便顯示已整合一VCSEL之垂直空腔孔徑的HCG的間距及/或工作週期變化如何造成一共振波長範圍，其能夠促成該等複數個第一VCSEL中的每一者發射一不同的雷射照射波長(舉例來說，藉由操作在單一模式之中)。同樣地，已整合一第二VCSEL(舉例來說，位於一第二一體成形集成式陣列之中)之垂直空腔孔徑的HCG的間距及/或工作週期變化會造成一不同的共振波長範圍，其能夠促成該等複數個第二VCSEL中的每一者發射一不同的雷射照射波長(舉例來說，藉由讓每一個VCSEL操作在單一模式之中)。由該等複數個第二VCSEL所發射的該等不同的雷射照射波長的波長範圍可能不同於由該等複數個第一VCSEL所發射的波長範圍。於某些範例中，該等複數個雷射照射波長(舉例來說，從該等複數個一體成形集成式陣列中每一者之中的該等單模VCSEL中的每一者所發出)可能會各自分隔在從1奈米至20奈米的範圍中。
於不同的範例中，該等複數條單模波導可能會被併入在一WDM之中，該WDM會整合該等不同雷射照射波長中的每一者，以便輸出在單一光學波導之中，舉例來說，如圖4和圖5之中所示。舉例來說，該WDM可能係一矽質平台上的二氧化矽平面光波電路，如圖4之中所示，其亦可套用至圖5。
雷射光學器件設備能夠藉由根據本發明的方法來製作。除非明確提及，否則，本文中所述的方法範例並不受限於特殊的順序或次序。除此之外，該等已述方法範例中的一部分，或是其要件，亦可以在相同或實質上相同的時間點發生或是被實施。
根據本發明，於不同的範例中，雷射光學器件設備可藉由處 理一半導體材料堆疊用以於一一體成形集成式陣列之中形成複數個VCSEL來製作。舉例來說，此處理可藉由對該半導體材料堆疊套用適當的蝕刻技術來實施；不過，本發明並不受限於此類型的施行方式。於不同的範例中，除了其它材料之外，該半導體材料堆疊可能還包含一第一面鏡材料、一增益媒介材料、以及數個第二面鏡材料，以便產生數種雷射照射波長。
該第一面鏡材料可能會被處理成用以形成如本文中所述之已整合該等複數個VCSEL中每一者的一垂直空腔孔徑的HCG，以便達成發射複數個雷射照射波長中的單一雷射照射波長。舉例來說，此處理可藉由對該第一面鏡材料套用適當的蝕刻技術來實施；不過，本發明並不受限於此類型的施行方式。如本文中所述，製作雷射光學器件設備可能包含讓一已整合一單模波導的光柵耦合器自動對齊已整合一HCG的該等複數個VCSEL中的每一者，其中，該等光柵耦合器中的每一者會覆晶自動對齊一特殊已整合的VCSEL和HCG。
被用來形成如本文中所述之數個HCG的該第一面鏡材料可能係由各式各樣化學材料所形成，舉例來說，除了其它化學材料以外，該等化學材料包含：III-V族化合物、II-VI族化合物、Si、Ge、SiGe、ZnO、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAlGaAs、InP、InAs、InGaAs、InAlAs、InGaAsP、InAlGaAsP、InGaN、InGaAlN、GaN、InGaAlAsN、GaAlSb、GaSb、AlSb、及/或它們的組合。僅使用該等元素的縮寫係因為在本發明的不同範例中可能會使用每一種元素的不同比例，以便影響利用各種HCG配置所達成的共振波長。
除了被用來形成該等HCG的該第一面鏡材料的不同化學成 分以及該等已形成之HCG的厚度變化、間距變化、及/或工作週期變化之外，該等HCG亦可被形成具有形狀變化、直徑變化、及/或配向變化。舉例來說，該等HCG可能會形成具有橢圓形配置、圓形配置、矩形配置、或方形配置、或是它們的混合形狀，在該光柵的跨幅中擁有任何數量的實體條紋，從而具有任何合宜的直徑。此外，該等HCG的該等實體條紋亦可能被形成用以延伸平行於該光柵的長軸、垂直於該光柵的長軸、或是對角斜交於該光柵的長軸、或是它們的組合。
被用來形成主動區以便產生如本文中所述之光波長的該或該等增益媒介材料可能係由各式各樣化學材料所形成，舉例來說，除了其它化學材料以外，該等化學材料包含：GaAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAs、InGaAsP、InGaAlP、GaN、InGaAlN、及/或它們的組合。於不同的範例中，此等增益媒介材料可被用來形成會產生共振波長的主動區(舉例來說，多重量子井、量子點、量子線、…等)，結合本文中所述的HCG，舉例來說，除了其它波長之外，該等共振波長還可能置中於約500nm、850nm、980nm、1,000nm、1,300nm、以及1,550nm處。
舉例來說，主動區和HCG的不同成分及/或配置可能會被形成使得該等個別的一體成形集成式陣列具有置中於不同數值處的雷射照射波長(舉例來說，980nm、1,000nm、1,020nm、…等)，其中，不同範圍的雷射照射波長會從每一個個別的一體成形集成式陣列處被發出。該等VCSEL的其餘組成可由能夠支援在該等所希波長處進行雷射照射的任何所希材料組合來製作。
舉例來說，每一種特定的量子井設計(舉例來說，利用剛才 提出的各式各樣化學材料)，結合數種不同的HCG配置，能夠產生約30至40nm的可用增益頻寬(舉例來說，利用如圖6之中所示般至少1,000的Q值)。舉例來說，利用「應變型(strained)」InGaAs(舉例來說，針對多重量子井、量子點、量子線、…等)能夠產生置中於約980至1,000nm處大約120nm的頻寬。舉例來說，此應變能夠藉由改變一InGaAs化合物之中銦的數量使得其和鎵分量及砷分量沒有匹配來達成。
於不同的範例中，製作雷射光學器件設備可能包含磊晶成長該半導體材料堆疊。磊晶成長係一種可被用來製作各種電子裝置和光學裝置的技術。此等裝置可能具有複雜的結構，其可能係由具有不同組成的數層薄層所構成。此等裝置的品質、效能、以及壽命可能會受到該等磊晶層的純度、結構精確性、及/或同質性影響。造成磊晶層精確性、表面平坦性、及/或介面陡峭性的磊晶成長可能相依於下面數項因素，其包含：磊晶層成長方法；介於基板和磊晶膜之間的介面能量；以及下面數項成長參數，例如，熱動力驅動作用力、基板與層配接誤差、基板配向誤差、成長溫度、…等。
如本文中所述，磊晶成長可被用來以半導體材料製作整合HCG的VCSEL。除了其它結構之外，對其進行磊晶成長和蝕刻還可被用來製作半導體量子井結構，以便以高密度(舉例來說，多重量子井、量子點、量子線、…等)和少缺陷來產出此等結構。除了其它合宜的技術之外，亦可以使用磊晶成長在單一半導體晶片上來形成一如本文中所述的一體成形集成式陣列。
舉例來說，蝕刻該第一面鏡材料用以形成該HCG可能包含 運用電子射束微影術來蝕刻每一個HCG的預設間距變化和工作週期變化，俾使得每一個HCG的該等預設間距變化和工作週期變化會促成從該等複數個VCSEL中的每一者處發射不同的雷射照射波長(舉例來說，藉由讓每一個VCSEL操作在單一模式之中)。不過，本發明亦允許僅藉由改變HCG大小來變更VCSEL波長，這會有實務上的好處，本發明的教示內容並不受限於此類型施行方式。實際上，改變HCG大小來改變誘發共振波長可以於必要時結合VCSEL結構的其它變化來運用，以便支援更廣範圍的波長或是不同的應用。
此外，倘若其它VCSEL製程變化無法同樣受到控制的話，改變HCG大小亦可被當作一種精細的調整機制。舉例來說，藉由雷射修整(laser trimming)能夠精細調整個別HCG的間距及/或工作週期。此雷射修整能夠可靠地達到，舉例來說，約0.5nm甚至更小的HCG大小變化。
於不同的範例中，製作雷射光學器件設備可能包含處理(除了其它施行方式之外，還包含蝕刻)該增益媒介材料所製成的數層，用以形成一主動區，其中，該主動區可能包含多重量子井。於不同的範例中，製作雷射光學器件設備可能進一步包含處理(除了其它施行方式之外，還包含蝕刻)該等數個第二面鏡材料，用以在該等複數個已整合VCSEL中每一者的垂直空腔的封閉端處形成數個DBR面鏡，它們會結合該等多重量子井(以及該HCG和其它組成)達到在該雷射光學器件設備的一空腔中產生一預設波長。
於不同的範例中，製作雷射光學器件設備可能包含藉由本文中所述般匹配一對應圖樣中的焊料凸塊並且在該等已匹配的焊料凸塊之間 形成一黏接線來進行覆晶自動對齊。舉例來說，圖3中所示之已整合光柵耦合器的單模波導可能包含被形成在一基板332上(舉例來說，尤其是，矽上二氧化矽)。一焊料凸塊的圖樣範例顯示在圖3中所示的元件符號339處。此圖樣會自動對齊一對應的焊料凸塊圖樣，以便將已整合該光柵耦合器的單模波導連接至一已整合HCG的VCSEL(舉例來說，藉由加熱該等已匹配的焊料凸塊)。然而，圖樣並不受限於此範例並且可為任何的焊料圖樣，齊包含在上文中看到的任何形狀的凸塊(舉例來說，圓形、橢圓形、方形、矩形、連續或分段式隆起線、…等)。在替代例中，或者，除此之外，將該單模波導連接至一已整合HCG的VCSEL俾使得由該已整合HCG的VCSEL(舉例來說，操作在單一模式之中)所發出的光會正確對齊該光柵耦合器亦能夠以其它方式來施行(舉例來說，在製作期間及/或之後進行主動式對齊)並且保持在本發明的範疇裡面。
根據本發明，能夠藉由下面方式來操作高密度雷射光學器件設備：將一WDM中已整合一光柵耦合器的一單模波導整合至複數個一體成形集成式陣列中複數個VCSEL中每一者，每一個VCSEL皆已整合一HCG；透過該WDM將複數個不同的已發射雷射照射波長整合至單一光學波導之中；以及藉由決定該等複數個一體成形集成式陣列的每一者之中的該等複數個VCSEL所發出的不同的雷射照射波長的總數量來決定該單一光學波導所攜載的光學通道的數量。
舉例來說，如圖5之中所示，八個一體成形集成式陣列中的每一者會從其上已形成HCG的八個單模VCSEL處發出八個不同的雷射照射波長，該等八個不同的雷射照射波長會由已整合光柵耦合器的64條單模 波導收集和傳送。如本文中所述，因為該等不同雷射照射波長中的每一者會被視為一雷射光學器件通道，所以，圖5顯示會有64條通道會被輸入至該WDM之中並且在單一光學波導之中被輸出。當每一條雷射光學器件通道以每秒25個十億位元(gigabits)進行傳送時，舉例來說，64條通道便能夠一起以每秒1.6個兆位元(terabit)進行傳送。
於不同的範例中，在一特殊的一體成形集成式陣列中的複數個VCSEL中的每一者會被配置成用以產生一波長，該波長不同於被配置成用以由其它一體成形集成式陣列所產生的波長，而且該等HCG會被配置成用以讓該等複數個一體成形集成式陣列中每一者之中的複數個VCSEL發射不同範圍的不同共振波長(舉例來說，藉由讓每一個VCSEL操作在單一模式之中)。
本發明的範例可能包含雷射光學器件設備、系統、以及方法，該方法包含用以促成製作及/或操作該等雷射光學器件設備的可執行指令及/或邏輯。處理資源可能包含能夠存取被儲存在記憶體之中的資料的一或多個處理器，以便執行本文中所述的構形、動作、函數、…等。如本文中所述，「邏輯」係一種用以執行本文中所述之構形、動作、函數、…等的替代或額外處理資源，其包含硬體(舉例來說，各種形式的電晶體邏輯、特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits(ASICs))、…等)，不同於被儲存在記憶體之中並且可由處理器來執行的電腦可執行指令(舉例來說，軟體、韌體、…等)。
應該瞭解的係，本文中的說明係以解釋性而非限制性的方式被提出。本文中雖然已經解釋且說明過各種設備、系統、方法、計算裝置、 以及指令的明確範例；不過，亦可以其它等效的組件排列、指令、及/或裝置邏輯來取代本文中提出的明確範例，其並沒有脫離本發明的精神與範疇。
100‧‧‧已整合HCG的VCSEL
101‧‧‧垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)
102‧‧‧垂直空腔孔徑
103‧‧‧高對比光柵(HCG)
104‧‧‧間距
105‧‧‧實體條紋的寬度
106‧‧‧空白空間
107‧‧‧垂直空腔
108‧‧‧主動區
110‧‧‧底部面鏡

Claims (14)

  1. 一種高密度雷射光學器件設備，其包括：位於一一體成形集成式陣列之中的複數個第一垂直空腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)；一高對比光柵(High Contrast Grating，HCG)，其已整合該等複數個第一VCSEL中每一者的一垂直空腔的一孔徑，用以達成發射複數個雷射照射波長中的單一雷射照射波長；以及複數條單模波導，每一條單模波導皆已整合一光柵耦合器，該等單模波導會被連接至該等複數個第一已整合的VCSEL和該等HCG中的每一者，其中，該等複數個第一VCSEL中的每一者包含一對應的焊料凸塊圖樣，且其中，藉由匹配該等對應圖樣之中的焊料凸塊，該等光柵耦合器中的每一者皆會對齊一已整合的VCSEL和HCG，使得一黏接線會被形成在該等已匹配的焊料凸塊之間。
  2. 根據申請專利範圍第1項的設備，其包括位於一一體成形集成式陣列之中的複數個第二VCSEL，其中，該等複數個第二VCSEL會被配置成用以產生一波長，該波長不同於被配置成用以由該等複數個第一VCSEL所產生的波長。
  3. 根據申請專利範圍第2項的設備，其中，該等複數個第二VCSEL中的每一者皆包括一已整合其一垂直空腔孔徑的HCG，使得由該等複數個第二VCSEL所發射的雷射照射波長的範圍會不同於由該等複數個第一VCSEL所發射的雷射照射波長的範圍。
  4. 根據申請專利範圍第1項的設備，其中，每一個HCG皆能夠讓該等複 數個第一VCSEL中的每一者操作在單一模式之中，以便發射一不同的雷射照射波長。
  5. 根據申請專利範圍第4項的設備，其中，該等複數條單模波導包括一波長分割多工器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)，其會整合該等不同雷射照射波長中的每一者，以便輸出在單一光學波導之中。
  6. 根據申請專利範圍第4項的設備，其中，該WDM係一矽質平台上的二氧化矽平面光波電路。
  7. 一種高密度雷射光學器件設備，其包括：位於一一體成形集成式陣列之中的複數個垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)；一高對比光柵(HCG)，其已整合該等複數個VCSEL中每一者的一垂直空腔的一孔徑，用以達成發射複數個雷射照射波長中的單一雷射照射波長，其中，該等複數個雷射照射波長會各自分隔從1奈米至20奈米的範圍中；以及複數條單模波導，每一條單模波導皆已整合一光柵耦合器，該等單模波導會被連接至該等複數個已整合的VCSEL和該等HCG中的每一者，其中，該等複數個VCSEL中的每一者包含一對應的焊料凸塊圖樣，且其中，藉由匹配該等對應圖樣之中的焊料凸塊，該等光柵耦合器中的每一者皆會對齊一已整合的VCSEL和HCG，使得一黏接線會被形成在該等已匹配的焊料凸塊之間。
  8. 根據申請專利範圍第7項的設備，其中，該等光柵耦合器中的每一者會自動對齊該已整合的VCSEL和HCG。
  9. 根據申請專利範圍第7項的設備，其進一步包括多條電導線，它們會被形成在該等複數個已整合的VCSEL和HCG以及該等複數條單模波導的單一平台上，其中，該等電導線能夠達到對包含要被該等已整合的VCSEL和HCG轉換成光之資料的驅動電流進行調變的目的。
  10. 根據申請專利範圍第7項的設備，其進一步包括一溫度穩定組件，其會穩定該等複數個已整合的VCSEL和HCG的溫度。
  11. 一種製作高密度雷射光學器件設備的方法，其包括：處理一半導體材料堆疊，用以於一一體成形集成式陣列之中形成複數個垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)，其中，該半導體材料堆疊包括一第一面鏡材料、一增益媒介材料、以及數個第二面鏡材料；處理該第一面鏡材料用以形成一高對比光柵(HCG)，該高對比光柵已整合該等複數個VCSEL中每一者的一垂直空腔的一孔徑，用以達成發射複數個雷射照射波長中的單一雷射照射波長；以及讓已整合一單模波導的一光柵耦合器自動對齊已整合一HCG的該等複數個VCSEL中的每一者，其中，該等複數個VCSEL中的每一者包含一對應的焊料凸塊圖樣，且其中，藉由匹配該等對應圖樣之中的焊料凸塊，該等光柵耦合器中的每一者會覆晶自動對齊一特殊已整合的VCSEL和HCG，使得一黏接線會被形成在該等已匹配的焊料凸塊之間。
  12. 根據申請專利範圍第11項的方法，其中，處理該第一面鏡材料用以形成該HCG包含運用電子射束微影術來蝕刻每一個HCG的預設間距變化和工作週期變化，俾使得每一個HCG的預設間距變化和工作週期變化會促成從該等複數個VCSEL中的每一者處發射不同的雷射照射波 長。
  13. 根據申請專利範圍第11項的方法，其進一步包括處理數層增益媒介材料用以形成一主動區，其中，該主動區包括多個量子井。
  14. 根據申請專利範圍第13項的方法，其進一步包括處理該等數個第二面鏡材料，用以在該等複數個已整合VCSEL中每一者的垂直空腔的封閉端處形成數個分散式布拉格反射器面鏡，它們會結合該等多重量子井達到產生一預設的波長。
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140113911A (ko) * 2012-01-18 2014-09-25 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. 고밀도 레이저 광학장치
WO2014189507A1 (en) 2013-05-22 2014-11-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical devices including a high contrast grating lens
US9086551B2 (en) 2013-10-30 2015-07-21 International Business Machines Corporation Double mirror structure for wavelength division multiplexing with polymer waveguides
WO2015112166A1 (en) * 2014-01-24 2015-07-30 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical modulation employing high contrast grating lens
TWI608270B (zh) * 2014-02-20 2017-12-11 昂科公司 用於製造及操作光學調變器之方法
WO2015199615A1 (en) * 2014-06-27 2015-12-30 Heptagon Micro Optics Pte. Ltd. Structured light imaging system and method
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
US10139564B1 (en) * 2015-01-28 2018-11-27 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Vertically integrated optoelectronics package for MEMS devices
US10075257B2 (en) 2016-01-11 2018-09-11 Nokia Of America Corporation Optical spatial division multiplexing usable at short reach
US9853416B2 (en) 2016-01-11 2017-12-26 Alcatel-Lucent Usa Inc. Multimode vertical-cavity surface-emitting laser
KR101877388B1 (ko) * 2016-07-21 2018-07-11 엘지전자 주식회사 차량용 라이다 장치
CN108646429B (zh) * 2018-06-21 2021-06-25 深圳市光鉴科技有限公司 一种结构光投影仪
CN108923254B (zh) * 2018-07-06 2020-06-26 扬州乾照光电有限公司 一种单腔体结构vcsel芯片及其制作方法和激光装置
EP3853952A4 (en) * 2018-09-19 2022-06-22 UNM Rainforest Innovations BROADBAND ACTIVE MIRROR ARCHITECTURE FOR OPTICALLY PUMPED HIGH POWER SEMICONDUCTOR DISK LASERS
US10634844B1 (en) * 2019-02-21 2020-04-28 Applied Optoelectronics, Inc. Optical multiplexer\demultiplexer with input and output ports on a single side, and an optical transceiver implementing same
US20220120684A1 (en) * 2019-07-08 2022-04-21 Illumina, Inc. Waveguide integration with optical coupling structures on light detection device
CN115185100B (zh) * 2022-06-22 2023-08-04 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种加密点阵式光场的生成方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070223552A1 (en) * 2005-11-18 2007-09-27 Jds Uniphase Corporation High Efficiency, Wavelength Stabilized Laser Diode Using AWG's And Architecture For Combining Same With Brightness Conservation
US20110280269A1 (en) * 2010-05-13 2011-11-17 The Regents Of The University Of California High contrast grating integrated vcsel using ion implantation

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5394489A (en) * 1993-07-27 1995-02-28 At&T Corp. Wavelength division multiplexed optical communication transmitters
JP3611593B2 (ja) 1994-02-14 2005-01-19 日本オプネクスト株式会社 半導体光素子の作製方法
US6330388B1 (en) 1999-01-27 2001-12-11 Northstar Photonics, Inc. Method and apparatus for waveguide optics and devices
US7535944B1 (en) * 2000-05-26 2009-05-19 Opticomp Corporation Photonic crystal/waveguide coupler for VCSELS and photodetectors
US6829286B1 (en) * 2000-05-26 2004-12-07 Opticomp Corporation Resonant cavity enhanced VCSEL/waveguide grating coupler
US6959027B1 (en) * 2000-05-26 2005-10-25 Opticomp Corporation High-power coherent arrays of vertical cavity surface emitting lasers
US6654577B1 (en) * 2002-10-24 2003-11-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Toner cartridge converter
US7092598B2 (en) 2003-10-09 2006-08-15 Photodigm, Inc. Chip-scale WDM system using grating-outcoupled surface-emitting lasers
JP2012517705A (ja) 2009-02-11 2012-08-02 ダンマークス テクニスク ユニバーシテット ハイブリッド垂直キャビティレーザー
WO2010138524A2 (en) 2009-05-27 2010-12-02 The Regents Of The University Of California Monolithically integrated multi-wavelength high-contrast grating vcsel array
US8257990B2 (en) * 2009-12-30 2012-09-04 Intel Corporation Hybrid silicon vertical cavity laser with in-plane coupling
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
WO2012149497A2 (en) * 2011-04-29 2012-11-01 The Regents Of The University Of California Vertical cavity surface emitting lasers with silicon-on-insulator high contrast grating
KR20140113911A (ko) * 2012-01-18 2014-09-25 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. 고밀도 레이저 광학장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070223552A1 (en) * 2005-11-18 2007-09-27 Jds Uniphase Corporation High Efficiency, Wavelength Stabilized Laser Diode Using AWG's And Architecture For Combining Same With Brightness Conservation
US20110280269A1 (en) * 2010-05-13 2011-11-17 The Regents Of The University Of California High contrast grating integrated vcsel using ion implantation

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013109264A1 (en) 2013-07-25
KR20140113911A (ko) 2014-09-25
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