TWI840142B - 雷射模組 - Google Patents

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Abstract

一種雷射模組，用以解決習知雷射響應頻率低、高製程難度及高成本的問題。係包含：一基板；一雷射單元，設置於該基板上，產生一雷射光；一光放大單元，設置於該基板上，該光放大單元之光通道與該雷射單元之光通道連通，且該光放大單元之電極與該雷射單元之電極為電絕緣；一高反射層，設置於該雷射單元遠離該光放大單元的一端；及一抗反射層，設置於該光放大單元遠離該雷射單元的一端；其中，從該雷射單元之光通道出射的該雷射光進入該光放大單元之光通道，使光放大單元之光通道中能量高於一基態之電子受誘發回落該基態，以產生一增益光，該雷射光與該增益光再從該抗反射層出射至該雷射模組外。

Description

雷射模組
本發明係關於一種雷射模組，尤其是一種具有雷射單元及光放大單元的雷射模組。
近年來，為了開發對於下一代光網絡應用非常重要的雷射，對其頻率帶寬的要求日益提高，從而導致習知雷射及雷射模組難以滿足下一代光網絡應用。
舉例而言，習知直接調變雷射的響應頻率通常被限制在30GHz左右，而間接調變雷射改變持續輸出的雷射光源之振幅或相位的方式比直接調變雷射更為複雜。另外，直接調變雷射及間接調變雷射的半導體結構往往需要重複磊晶，從而導致了高製程難度及高成本。
有鑑於此，習知的半導體雷射的相關技術確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種雷射模組，其具有雷射單元及光放大單元，以在提高雷射響應頻率的同時，還能降低製程難度及成本。
本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「上(頂)」、「下 (底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。
本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。
本發明的雷射模組，包含：一基板；一雷射單元，設置於該基板上，產生一雷射光；一光放大單元，設置於該基板上，該光放大單元之光通道與該雷射單元之光通道連通，且該光放大單元之電極與該雷射單元之電極為電絕緣；一高反射層，設置於該雷射單元遠離該光放大單元的一端；一抗反射層，設置於該光放大單元遠離該雷射單元的一端；及一溝槽，該溝槽由該高反射層延伸至該抗反射層，該光放大單元之光通道與該雷射單元之光通道連通設置於該溝槽中，以構成一光波導；其中，從該雷射單元之光通道出射的該雷射光進入該光放大單元之光通道，及透過微調該抗反射層的反射率，使一反射光與該雷射光產生光子-光子共振效應，使光放大單元之光通道中能量高於一基態之電子受誘發回落該基態，以產生一增益光，該雷射光與該增益光再從該抗反射層出射至該雷射模組外。
據此，本發明的雷射模組，可藉由結合雷射單元與光放大單元而使頻率響應的帶寬有效加寬，且提高輸出功率的功效。並且，光波導材料、半導體及金屬材料係可以在該溝槽內外進行沉積及蝕刻，係具有簡化製程及降低成本的功效。
其中，該溝槽的截面形狀為一倒梯形，該溝槽的側壁是以酸鹼錯合物蝕刻形成。如此，位於該溝槽之光波導形成反向式脊狀波導，能夠降 低該雷射模組的寄生電容及接觸電阻，並提高高頻響應，使該雷射模組的元件容易達到高速的功效。
其中，該雷射單元為分佈式回饋布拉格光柵雷射，該光放大單元為半導體光放大器。如此，透過使用分佈式回饋布拉格光柵雷射，可達成增加光子在腔內振盪的次數並產生增益，並能壓抑掉多餘的模態而能讓雷射單模操作的功效。
其中，該光放大單元與該雷射單元之間的相鄰區經含有硫酸、雙氧水及水的溶液移除一接觸層。如此，透過移除該接觸層，可達成避免訊號之間的串擾的功效。
其中，該光放大單元與該雷射單元的其中至少之一的平坦層為苯并環丁烯材料製成。如此，透過以苯并環丁烯材料製成的平坦層，可達成降低雷射單元與光放大單元的其中至少之一的寄生電容的功效。
1:基板
2:雷射單元
21:光通道
3:光放大單元
31:光通道
4:高反射層
5:抗反射層
6:量測系統
61:向量網路分析儀
62,62’:雷射驅動單元
63:雷射模組
64:光衰減器
65:光偵測器
P1,P2:端口
X:X軸
Y:Y軸
Z:Z軸
〔第1圖〕本發明較佳實施例的疊層剖視圖。
〔第2圖〕沿第1圖的A-A線剖面圖。
〔第3圖〕本發明之雷射模組進行微波穿透損耗量測的系統方塊圖。
〔第4圖〕一般DFB雷射的頻率響應圖。
〔第5圖〕本發明雷射模組的頻率響應圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明；此外，在不同圖 式中標示相同符號者視為相同，會省略其說明。
請參照第1圖所示，其係本發明雷射模組的實施例的側向剖視圖，係包含一基板1、一雷射單元2、一光放大單元3、一高反射層4及一抗反射層5。該雷射單元2及該光放大單元3設置於該基板1上，該高反射層4設置於該雷射單元2遠離該光放大單元3的一端，且該抗反射層5設置於該光放大單元3遠離該雷射單元2的一端。該光放大單元3之光通道31與該雷射單元2之光通道21連通。
值得注意的是，為利於描述雷射模組各元件的幾何關係，於第1圖中採用笛卡爾座標系描述。
在一實施例，該雷射單元2為分佈式回饋布拉格光柵雷射(distributed feedback Bragg grating laser，DFB laser)，該光放大單元3為半導體光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)。因此，從該雷射單元2之光通道21出射的雷射光進入該光放大單元3之光通道31，使光放大單元3之光通道31中能量高於一基態之電子受誘發回落該基態，以產生一增益光，該雷射光與該增益光再從該抗反射層5出射至該雷射模組外。
該基板1的材料可視實際需求而選擇；舉例而言，該基板1可選用三五族半導體材料，在此範例中，該基板1的材料可使用磷化銦(Indium phosphide，InP)。然而，亦可視需要使用二六族半導體材料作為該基板1的材料，惟，雷射模組的其它元件，例如：N型覆蓋層(N-Cladding layer)、P型覆蓋層(P-Cladding layer)、主動層(active layer)、鈍化層(passivation layer)等的材料、結構、位置可對應修改。而例如：平坦層、該高反射層4、該抗反射層5等則可視以上元件的材料、結構、位置所導致的光學特性而對應修改，且不悖離本發明精神。
請參照第1及2圖所示，在一實施例，本發明雷射模組可以設 置有一溝槽，該溝槽沿X軸方向沿伸，以供至少連通設置該光放大單元3之光通道31與該雷射單元2之光通道21，以在該溝槽中構成一光波導。
較佳地，該溝槽落在(正投影)該高反射層4及該抗反射層5的形狀為一梯形。該梯形之上底邊長大於該梯形之下底邊長，且該二底邊與雷射模組的表面對齊。詳言之，該溝槽在Y-Z平面的截面形狀可為上寬下窄之一倒梯形，該倒梯形朝X軸方向延伸形成柱狀之該溝槽，從而使該光波導成為埋入該基板1之反向式脊狀波導(Reversed ridge waveguide)。
如第2圖所示，以雷射單元2在Y-Z平面的剖面為例，該倒梯形朝Z軸的正方向的底邊長大於該倒梯形朝Z軸的負方向的底邊長，該倒梯形為該雷射單元2之光通道21的截面形狀。
可選擇地，該光波導之製法可採用以下步驟：在該基板1定義(例如圖形化的二氧化矽，SiO2)該光波導之底面輪廓；以乾蝕刻(例如以感應耦合電漿，ICP)方式向Z軸負方向蝕刻至一預定深度(例如0.8μm)；以濕蝕刻方式蝕刻該溝槽，以得到倒梯形的傾斜側壁。在一實施例，濕蝕刻可使用A：B酸，即酸鹼錯合物進行。在一範例，該梯形的底邊長為3μm。
如此，反向式脊狀波導不但能降低該雷射模組的寄生電容及接觸電阻，也能提高高頻響應，使該雷射模組的元件容易達到高速。
在該基板1方面的一範例，該基板1可利用化鍍而將晶圓研磨至100μm，從而增加該雷射模組的散熱性。
在一實施例，該雷射單元2及該光放大單元3的N型覆蓋層及N型覆蓋層側電極的結構為分層的金/鍺/鎳/金/鈦/鉑/金，其厚度分別為300nm、200nm、500nm、500nm、500nm、500nm及3000nm。而P型覆蓋層(P-Cladding layer)及P型覆蓋層側電極的結構為分層的鈦/鉑/金，其厚度分別為500nm、500nm及5000nm。在N型覆蓋層及N型覆蓋層 側電極形成後，可進行退火使金屬層和半導體形成歐姆接觸，在P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極形成後亦然。
在一實施例，以蝕刻該溝槽之底部的方式形成該雷射單元2及該光放大單元3之間的一絕緣區，該絕緣區沿Y軸延伸而至少分離該雷射單元2及該光放大單元3。在一範例，該絕緣區可形成一鈍化層，該鈍化層之材料可以為氧化物。另外，至少該N型覆蓋層側電極或P型覆蓋層側電極可以該絕緣區隔開，以達成該光放大單元3之電極與該雷射單元2之電極為電絕緣。再者，該雷射單元2及該光放大單元3的N型覆蓋層及N型覆蓋層側電極中的各層材料可一起形成，該雷射單元2及該光放大單元3的P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極中的各層材料可一起形成，以簡化製程而降低成本。該絕緣區於X軸上的長度為70μm。
該雷射單元2及該光放大單元3的主動層可為一多重量子井(Multiple Quantum Well)，其材料及結構可視所需波長、基板等而調整。在本實施例中，該雷射單元2的主動層於X軸上的長度為150μm，該光放大單元3的主動層於X軸上的長度為150μm，藉由控制該光放大單元3的偏置電流固定為15mA，並調整該雷射單元2的偏置電流由20mA至70mA，可輸出波長為1328.5nm至1330nm的雷射光及其增益光。
然而，上述N型覆蓋層、N型覆蓋層側電極、P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極的各層排列可視主動層結構、該基板1等而調整。例如，在N型覆蓋層及N型覆蓋層側電極接近該溝槽之底部的情況下，N型覆蓋層及N型覆蓋層側電極的結構為向Z軸負方向排列的AuGe/Ni/Au/Ti//Pt/Au，而P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極的結構為向Z軸正方向排列的Ti/Pt/Au。在P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極接近該溝槽之底部的情況下，P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極的結構為向Z軸負方向排列的Ti/Pt/Au，而N 型覆蓋層及N型覆蓋層側電極的結構為向Z軸正方向排列的AuGe/Ni/Au/Ti/Pt/Au。
在P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極方面的一實施例，在以等離子體增強化學的氣相沉積法(PECVD)鍍上氮化矽(SiNx)後，利用ICP乾蝕刻直到露出接觸層InGaAs，再以電子槍(Egun)蒸鍍P型覆蓋層及P型覆蓋層側電極。
在一實施例，該雷射單元2的光柵是以金屬有機物化學氣相沈積(MOCVD)方式，將InGaAsP作為光柵之材料在成長InP基板，再以電子束用光阻及電子束繪圖器(E-beam writer)在特定區域定義出光柵並蝕刻到特定厚度，以形成光柵。
該雷射單元2與該光放大單元3的其中至少之一的平坦層為苯并環丁烯(BCB)材料製成。在一範例，平坦層設置在主動層兩側及覆蓋層上。藉由苯并環丁烯材料製成的平坦層，可降低該雷射單元2與該光放大單元3的其中至少之一的寄生電容。
在該雷射單元2及該光放大單元3之間相鄰區方面的實施例，該雷射單元2與該光放大單元3之間的相鄰區經含有硫酸、雙氧水及水的溶液移除一接觸層。從而避免訊號之間的串擾(cross talk)。
該抗反射層5的設計可控制雷射光及增益光的輸出方向，並且減少反射以增加光輸出功率，透過微調該抗反射層5的反射率，可以使該光放大單元3的反射光與該雷射單元2的激發光產生光子-光子共振效應，從而改善雷射光的頻率帶寬。
請參照第3圖所示，其係本發明雷射模組進行微波穿透損耗量測知一量測系統6的方塊圖。由此第3圖可以顯示，一向量網路分析儀(vector network analyzer，VNA)61將一微波訊號從一端口P1送出，並藉由T型偏 壓器將定電流模式驅動雷射(Laser Diode driver in Constant Current mode，LD CC)之一雷射驅動單元62輸出的直流電訊號做混合後，驅動本發明雷射模組63之光放大單元，另一雷射驅動單元62’提供一交流電訊號驅動該雷射模組63之雷射單元，以使該雷射模組63產生雷射光，雷射光使用錐形光纖耦合，並使用一光衰減器64將輸出功率降到適合一光偵測器65的功率，最後該光偵測器65將收到的光訊號轉換為電訊號從一端口P2回到該向量網路分析儀61，以分析雷射的響應頻率，係可以藉由微調該微波訊號，調變該雷射驅動單元62驅動該雷射模組63之光放大單元的偏置電流。
本量測之原因及細節在於：傳送微波信號時信號會因為遇到障礙物或其他因素而衰減，這種損耗可能會導致信號變弱，甚至在一定距離內完全消失，微波損耗的程度可能會受到很多因素的影響，包括傳送距離、傳送頻率、傳送功率、障礙物的材質和密度等。通常元件在傳輸高頻率的訊號下損耗較大，因此當接收強度為輸出強度的一半時的頻率定義為元件的頻率響應。頻率響應是指一個系統對不同頻率的輸入信號的輸出反應。頻率響應可以用來表示系統對不同頻率的信號的敏感程度，也可以用來測量系統的頻率特性，我們需要對元件做微波損耗的分析，而微波損耗可以分為兩種，微波反射損耗(microwave reflection loss)以及微波穿透損耗(microwave transmission loss)，微波反射損耗通常可以藉由阻抗匹配的方式來降低訊號的反射率，而微波穿透損耗指的是，微波在元件內傳遞的過程中所造成的損耗，一般來說元件長度越長，損耗也就越大。
而本量測之步驟為：首先固定雷射單元的偏置電流，並改變光放大單元的偏置電流來觀察頻率響應的變化，接著再固定光放大單元的偏置電流，改變雷射單元的偏置電流，經過量測後可找出雷射單元與光放大單元各自合適的偏置電流，以引發光子-光子共振的效應。
請再參閱第4圖及第5圖，第4圖為一般DFB雷射的頻率響應圖，第5圖為本發明雷射模組的頻率響應圖，可以看出頻率響應在f3dB的帶寬(大於-3dB的頻率範圍)是從28GHz(其中，DFB的偏置電流10mA時為9GHz，而偏置電流60mA以上為28GHz)增寬為40GHz(本發明雷射模組偏置電流60mA以上為40GHz)。
綜上所述，本發明的雷射模組結合雷射單元與光放大單元而使頻率響應的帶寬有效加寬。而反向式脊狀波導不但能降低該雷射模組的寄生電容及接觸電阻，也能提高高頻響應，使該雷射模組的元件容易達到高速，且提高輸出功率。另外，雷射單元與光放大單元的相同半導體、金屬、高分子材料的各個元件能一起形成，從而簡化製程而降低成本。再者，作為平坦層的苯并環丁烯材料能降低雷射單元與光放大單元的其中至少之一的寄生電容。此外，雷射單元與光放大單元之間的相鄰區經含有硫酸、雙氧水及水的溶液移除一接觸層後能避免訊號之間的串擾等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當包含後附之申請專利範圍所記載的文義及均等範圍內之所有變更。又，上述之數個實施例能夠組合時，則本發明包含任意組合的實施態樣。
1:基板
2:雷射單元
21:光通道
3:光放大單元
31:光通道
4:高反射層
5:抗反射層
X:X軸
Z:Z軸

Claims (5)

  1. 一種雷射模組，包含：一基板；一雷射單元，設置於該基板上，產生一雷射光；一光放大單元，設置於該基板上，該光放大單元之光通道與該雷射單元之光通道連通，且該光放大單元之電極與該雷射單元之電極為電絕緣；一高反射層，設置於該雷射單元遠離該光放大單元的一端；一抗反射層，設置於該光放大單元遠離該雷射單元的一端；及一溝槽，該溝槽由該高反射層延伸至該抗反射層，該光放大單元之光通道與該雷射單元之光通道連通設置於該溝槽中，以構成一光波導；其中，從該雷射單元之光通道出射的該雷射光進入該光放大單元之光通道，及透過微調該抗反射層的反射率，使一反射光與該雷射光產生光子-光子共振效應，使光放大單元之光通道中能量高於一基態之電子受誘發回落該基態，以產生一增益光，該雷射光與該增益光再從該抗反射層出射至該雷射模組外。
  2. 如請求項1所述之雷射模組，其中，該溝槽的截面形狀為一倒梯形，該溝槽的側壁是以酸鹼錯合物蝕刻形成。
  3. 如請求項1所述之雷射模組，其中，該雷射單元為分佈式回饋布拉格光柵雷射，該光放大單元為半導體光放大器。
  4. 如請求項1所述之雷射模組，其中，該光放大單元與該雷射單元之間的相鄰區經含有硫酸、雙氧水及水的溶液移除一接觸層。
  5. 如請求項1所述之雷射模組，其中，該光放大單元與該雷射單元的其中至少之一的平坦層為苯并環丁烯材料製成。
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