安立光器件開發(fā)史 |(三)激光器芯片研發(fā)進(jìn)展

訊石光通訊網(wǎng) 2021/12/16 16:17:42

  1964年東京奧運(yùn)會之后的日本經(jīng)濟(jì)高速增長時期,通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)決定建設(shè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò),標(biāo)志著光通信時代的開始。因此,安立傳感與器件公司的前身開始開發(fā)用于光網(wǎng)絡(luò)測量儀器的關(guān)鍵器件,如半導(dǎo)體激光器和高速混合集成電路。安立傳感器件公司今天的許多產(chǎn)品都繼承了這一時期的產(chǎn)品基礎(chǔ)。本系列文章介紹了安立傳感器件公司開發(fā)的器件的歷史,本篇文章是第三篇,介紹公司主要光器件產(chǎn)品的開發(fā)故事。

  (一)半導(dǎo)體激光器開發(fā)的黎明期

  (二)制程技術(shù)的變遷

  (1)泵浦激光器(Pump-LD)

  如上一篇文章所述,我們第一次大規(guī)模生產(chǎn)光學(xué)器件時,使用液相外延(LPE)生長設(shè)備來形成半導(dǎo)體晶體。下圖表示典型LD橫截面。采用有源層InGaAsP(銦、鎵、砷化物、磷化物)填埋設(shè)計,從而實(shí)現(xiàn)全球最高光學(xué)輸出。

  Cross-Section of First LD Design

  在20世紀(jì)80年代末,通過在光纖芯中摻雜稀土鉺(Er)來直接放大1.5-μm波長的光信號。由于這種直接放大方法使用小型、低成本的1.48μm半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源,因此這些激光二極管推廣迅速。在高速、大容量通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

  20世紀(jì)90年代初,我們在高功率輸出LD技術(shù)方面的取得了不小的成績,發(fā)布了一款用于光纖的50mW 泵浦激光器(Pump-LD),一舉成為主要的市場參與者,借此泵浦激光器(Pump-LD)發(fā)展成為主要的產(chǎn)品線。

  20世紀(jì)90年代,隨著氣相外延生長設(shè)備的引入,晶體的生長過程發(fā)生了變化,如下圖顯示了現(xiàn)代泵浦LD設(shè)計結(jié)構(gòu)的主要變化。新結(jié)構(gòu)擁有很多自己的特征,例如半導(dǎo)體襯底、有源層蝕刻、包層和LD芯片長度的變化。

  Cross-Section of Latest Pump LD Design

  為了提高輸出功率,需要加長芯片和調(diào)整有源層厚度。在有源層下方的InP附近采用InGaAsP包層,可以大大提高性能。通常光分布是垂直對稱的,但在這種結(jié)構(gòu)中光分布是不對稱的,因?yàn)楣夥植枷蚋哒凵渎室r底側(cè)不均衡。以這種方式擴(kuò)展有源層的長度和寬度對于提高輸出功率起著關(guān)鍵作用。

  在第一個開發(fā)階段,LD芯片的長度為300μm,但在現(xiàn)代設(shè)計中已達(dá)到幾個毫米,成功實(shí)現(xiàn)芯片輸出功率超過1W。目前,我們的高輸出產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)650mW的光纖輸出,是首個產(chǎn)品輸出水平的10倍以上。由于晶體外延生長設(shè)備的進(jìn)步和革命性結(jié)構(gòu)設(shè)計的引入,使得由極薄的半導(dǎo)體層(只有幾個原子厚度)制成的量子阱結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。

  (2)DFB激光器(DFB-LD)

  一般的激光二極管,如泵浦LD,以多個縱模振蕩,但用作光通信光源的LD必須以單縱模形式存在。因此,我們研制了一款內(nèi)置光柵的分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD),用于選擇特定波長。

  光柵是一種常見的光學(xué)元器件,利用波長周期及相位間隔形成衍射和干涉產(chǎn)生干涉條紋。下圖(a)用于制作圖案的干涉曝光設(shè)備的示意圖。氬激光器發(fā)出的激光分裂成兩條路徑,在基板上制作條紋圖案。圖(b)在基板上制作的光柵圖案示例;波紋節(jié)距取決于目標(biāo)波長,但通常約為四分之一微米。圖(c)重新生長后的半導(dǎo)體襯底DFB-LD光柵圖案。

  近年,主要趨勢是電子束(EB)光刻方法取代光學(xué)干涉曝光方法,我們也引進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)。電子束光刻設(shè)備可以使用電子槍的電子束直接在晶圓上繪制精細(xì)圖案。優(yōu)點(diǎn)是激光波長略有不同的激光二極管可以在一個晶圓上制造,并且每個光柵的間距可以在單個芯片內(nèi)改變。

  DFB-LD設(shè)計不僅用作光通信光源,而且通常與電吸收(EA)調(diào)制器集成。此外,使用一個模塊支持多個波長的可調(diào)諧波長激光器也變得越來越普遍。另一方面,氣體檢測傳感器需要波長與氣體吸收線匹配的光源,為固定波長DFB LDs提供應(yīng)用,無需高速調(diào)制。

新聞來源:安立通訊科技Anritsu

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