[發明專利]激光器

有效

• 申請號: 201280033151.6
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN103636084A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 鐘日錫
• 申請（專利權）人: 丹麥技術大學
• 主分類號: H01S5/026
• 分類號: H01S5/026;H01S5/02;H01S5/183
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 楊生平;鐘錦舜

技術領域

本發明涉及光學通信領域，并且特別地其涉及使用半導體激光器的高速光學通信。甚至更具體地，本發明涉及適合于在硅芯片中或到硅芯片的光學互連中使用的半導體激光器。本發明還涉及一種制造激光器的方法和一種當在使用中時對激光器進行調制的方法。

背景技術

在近程光學互連應用中，構建塊器件的低能量消耗以及高傳輸速度正在隨著數據傳輸帶寬增加而變成關鍵技術問題。因此，品質因數是每發射位的能量消耗。根據在[[96]]中提供的最近技術發展藍圖，在2015-2020年對于芯片級光學互連的光發射器而言要求幾10s?fJ/位。

作為光發射器，垂直腔表面發射激光器（VCSEL）是優選現有解決方案中的一個。這是因為其制造技術是成熟的，并且其能量消耗由于其小的活性材料體積而比邊緣發射激光器的小得多。為了發送位信號，應對光發射器的輸出光強進行調制。存在對輸出光強進行調整的兩種方式：直接調制和間接（或外部）調制。在這兩種方法之中，直接調制更容易實現，因為外部調制方法需要外部調制器。

在直接調制方案中，對到激光器的電流注入進行調制。這導致輸出光的強度調制。在[[97]]中報告了現有技術結果。傳輸速度為35Gb/s，排除RF驅動器電路的能量消耗是12.5mW，并且發射波長是980nm。357fJ/位（=12.5mW/35Gb/s）的已示出的每位能量是異常小的，但對于上述應用而言是不夠的。這種方法的弱點是難以進一步增加速度或減少能量消耗：激光二極管的速度由其本征響應和電路響應決定。本征速度由與弛豫振蕩頻率f_r成比例的本征頻率響應的-3dB帶寬定義：

fr∝I-IthVp---(1)]]>

其中，I是注入電流，I_th是閾值電流且Vp是模體積。為了獲得較高的本征速度，注入電流需要較高，同時模體積優選地較小。在已示出的VCSEL中，模體積不太可能進一步減小。這是因為決定模體積的其橫向模尺寸和有效腔長度難以進一步減小。在已示出的VCSEL中，3μm的氧化孔徑在合理光學損耗的情況下已是最小的。如果將氧化孔尺寸減小至3μm以下以獲得較小的模體積，則光學損耗急劇地減增加，導致較高的I_th。在等式（1）中，較高的I_th減小速度。關于注入電流，如果增加電流以獲得較高本征速度，則其將導致較高的能量消耗。另一方面，如果減小電流以獲得較小的能量消耗，則其將導致較慢的本征速度。因此，基于常規VCSEL結構，難以同時地進一步增加速度并減少能量消耗。還應考慮到高注入電流對小體積激光器的長時間穩定性是有害的。與電路響應有關的速度主要由激光器結構的串聯電阻和電容決定。在已示出的VCSEL中，這些寄生項已被嚴格地抑制。因此，不能預期與寄生項有關的速度方面的顯著改善。

如上文所討論的，3μm的橫向模尺寸在合理光學損耗的情況下已是最小的。在VCSEL中，有效腔長度是標稱腔長度與到分布式布拉格反射器（DBR）中的場穿透的和。由于需要包括用于光發生的有源區的具有一定厚度的光學腔，所以也不能顯著地減小有效腔長度。

因此，在當前已知解決方案中，存在對直接調制VCSEL結構的速度和能量消耗上的限制。為了獲得超過現有技術每位能量值的進一步改善，需要創新的激光器結構。

發明內容

本發明的目的是提供一種新型半導體激光器，其與目前被用于近程光學互連的半導體激光器相比能夠增加半導體激光器的速度和/或減少其能量消耗。本發明的目的還有提供一種用于調制半導體激光器的新型方法和基于該新型半導體激光器的新型光學互連。

本發明的仍另一目的是提供一種用于制造能夠克服現有技術對調制速度和能量消耗的上述和目前感知的根本限制的半導體激光器的方法。