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1、(10)申请公布号 CN 104011950 A (43)申请公布日 2014.08.27 CN 104011950 A (21)申请号 201280062546.9 (22)申请日 2012.01.18 H01S 5/183(2006.01) H01S 3/067(2006.01) H01S 5/10(2006.01) (71)申请人 惠普发展公司， 有限责任合伙企业 地址 美国德克萨斯州 (72)发明人 迈克尔瑞恩泰谭 戴维A法塔勒 韦恩V瑟林 沙吉V马塔尔 (74)专利代理机构 北京德琦知识产权代理有限 公司 11018 代理人 于未茗 康泉 (54) 发明名称 高密度激光器光学器件 (。
2、57) 摘要 提供用于高密度激光器光学器件的装置和 方法。激光器光学器件装置的示例包括 ： 在单体 地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) ； 高对比度光栅(HCG)， 与该多个VCSEL中 的每个的垂直腔的孔集成， 以使能够发出多个激 光发射波长中的单个激光发射波长 ； 以及多个单 模波导， 每个与光栅耦合器集成， 多个单模波导连 接至多个集成的VCSEL和HCG中的每个， 其中光栅 耦合器中的每个对准至一集成的 VCSEL 和 HCG。 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.18 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/021698 201。
3、2.01.18 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/109264 EN 2013.07.25 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 12 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书12页 附图6页 (10)申请公布号 CN 104011950 A CN 104011950 A 1/2 页 2 1. 一种高密度激光器光学器件装置， 包括 ： 在单体地集成的阵列中的多个第一垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) ； 高对比度光栅 (HCG)， 与所述多个第一 VCSEL 中的每个的垂直腔的孔集成， 以使能够发 出多个。
4、激光发射波长中的单个激光发射波长 ； 以及 多个单模波导， 每个与光栅耦合器集成， 所述多个单模波导连接至多个第一集成的 VCSEL 和 HCG 中的每个， 其中所述光栅耦合器中的每个对准至一集成的 VCSEL 和 HCG。 2. 根据权利要求 1 所述的装置， 包括在单体地集成的阵列中的多个第二 VCSEL， 其中 所述多个第二VCSEL被配置为产生与被配置为由所述多个第一VCSEL产生的波长离散的波 长。 3. 根据权利要求 2 所述的装置， 其中所述多个第二 VCSEL 中的每个包括与其垂直腔的 孔集成的 HCG， 使得由所述多个第二 VCSEL 发出的激光发射波长的范围与由所述多个第一。
5、 VCSEL 发出的激光发射波长的范围离散。 4. 根据权利要求 1 所述的装置， 其中每个 HCG 使所述多个第一 VCSEL 中的每个能操作 在单模下， 以发出离散的激光发射波长。 5.根据权利要求4所述的装置， 其中所述多个单模波导包括波分复用器(WDM)， 所述波 分复用器对各个所述离散的激光发射波长进行集成以在单个光波导中输出。 6. 根据权利要求 4 所述的装置， 其中所述 WDM 是硅平台上的硅石平面光波电路。 7. 一种高密度激光器光学器件装置， 包括 ： 在单体地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) ； 高对比度光栅 (HCG)， 与所述多个 VCSEL 中。
6、的每个的垂直腔的孔集成， 以使能够发出多 个激光发射波长中的单个激光发射波长， 其中所述多个激光发射波长各自以1纳米至20纳 米的范围间隔开 ； 以及 多个单模波导， 每个与光栅耦合器集成， 所述多个单模波导连接至多个集成的 VCSEL 和 HCG 中的每个， 其中所述光栅耦合器中的每个对准至一集成的 VCSEL 和 HCG。 8. 根据权利要求 7 所述的装置， 其中所述光栅耦合器中的每个自对准至所述一集成的 VCSEL 和 HCG。 9. 根据权利要求 7 所述的装置， 进一步包括在用于所述多个集成的 VCSEL 和 HCG 以及 所述多个单模波导的单个平台上形成的电引线， 其中所述电引线。
7、使能够对包括待由所述集 成的 VCSEL 和 HCG 转换成光的数据的驱动电流进行调制。 10.根据权利要求7所述的装置， 进一步包括稳定所述多个集成的VCSEL和HCG的温度 的温度稳定部件。 11. 一种制造高密度激光器光学器件装置的方法， 包括 ： 处理半导体材料堆， 以形成单体地集成的阵列中的多个垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)， 其中所述半导体材料堆包括 ： 第一镜面材料， 增益介质材料， 以及 多个第二镜面材料 ； 处理所述第一镜面材料来形成高对比度光栅 (HCG)， 所述高对比度光栅与所述多个 VCSEL 中的每个的垂直腔的孔集成， 以使能够发出多个激光发射波长中的单个激光发。
8、射波 权 利 要 求 书 CN 104011950 A 2 2/2 页 3 长 ； 以及 将与单模波导集成的光栅耦合器自对准至与 HCG 集成的所述多个 VCSEL 中的每个， 其 中将所述光栅耦合器中的每个与特定的集成 VCSEL 和 HCG 进行倒装芯片自对准。 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中将所述光栅耦合器中的每个与特定的集成 VCSEL 和 HCG 进行倒装芯片自对准包括 ： 匹配对应图案中的焊料凸块并且形成所匹配的焊 料凸块之间的接合。 13. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中处理所述第一镜面材料来形成 HCG 包括利用电 子束光刻来刻蚀每个 HCG 的节距和占。
9、空比的预定变化， 使得每个 HCG 的节距和占空比的预 定变化对从所述多个 VCSEL 中的每个中发出离散的激光发射波长做出贡献。 14. 根据权利要求 11 所述的方法， 进一步包括 ： 处理所述增益介质材料的多个层来形 成有源区， 其中所述有源区包括多个量子阱。 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 进一步包括 ： 处理所述多个第二镜面材料来在多个 集成的 VCSEL 中的每个的垂直腔的封闭端处形成多个分布式布拉格反射镜， 所述多个分布 式布拉格反射镜与所述多个量子阱结合对产生预定的波长做出贡献。 权 利 要 求 书 CN 104011950 A 3 1/12 页 4 高密度激光器光学。
10、器件 背景技术 0001 通过波导传输光已经被用于许多类型的通信应用。 光信号相对于电子信号显现潜 在优势。 光源可以由包括诸如发光二极管和激光二极管之类的半导体器件在内的半导体器 件制造。 0002 光纤用作光信号的传输介质。单条光纤能够在其内一次携带数个不同的调制信 号。例如， 波分复用可以将光纤的带宽分成不同的信道 ( 例如， 每个信道包含一小范围的波 长 )， 因此可以一次传输数个不同的光波长 ( 例如， 信号 )。使用这种系统需要不同波长的 源。 附图说明 0003 图 1 图示根据本公开的与高对比度光栅 (HCG) 集成的垂直腔表面发射激光器 (VCSEL) 的示例。 0004 图。
11、 2 图示根据本公开的与单模波导集成的光栅耦合器的示例。 0005 图 3 是根据本公开的与连接至具有 HCG 的集成 VCSEL 的光栅耦合器集成的单模波 导的示例。 0006 图 4 图示根据本公开的与多个 VCSEL 集成的波分复用器的示例。 0007 图 5 图示根据本公开的与多个单体地集成的 VCSEL 阵列集成的波分复用器的示 例。 0008 图 6 是图示根据本公开的受 HCG 的特定节距和特定占空比影响的由 VCSEL 发出的 谐振波长的示例的图。 0009 图 7 图示根据本公开形成的激光器光学装置的示例。 具体实施方式 0010 以每秒 1 兆兆比特以上的带宽操作的高速光互。
12、连， 是以例如它们与电气互连相比 的低功耗和小型尺寸为基础的有吸引力的选择。 波分复用可以提供高带宽的兆兆比特光纤 ( 例如， 每秒 1 兆兆比特以上 )。对这样的应用而言， 单体地集成的低成本多波长源是令人 期望的。VCSEL 是用于多波长源的有效选择， 优点在于包括表面正常发射、 低成本制造和晶 片级测试。此外， 多波长 VCSEL 源可以对包括例如光通信系统 ( 如数据中心中 ) 的一大批 应用提供经济的方案。 0011 本公开的示例包括用于激光器光学器件的装置、 方法和机器可读的和可执行的指 令和 / 或逻辑。本公开中提供的示例的实现方式提供了使用多个波长的高密度光引擎。 0012 根。
13、据本公开的高密度激光器光学器件装置的示例包括 ： 在单体地集成的阵列中的 第一多个 VCSEL ； 与该第一多个 VCSEL 中的每个的垂直腔的孔集成以使能够发射多个激光 发射波长中的单个激光发射波长的 HCG ； 以及多个单模波导， 每个与光栅耦合器集成， 多个 单模波导连接至第一多个集成的 VCSEL 和 HCG 中的每个， 在这里光栅耦合器中的每个被对 准至集成的 VCSEL 和 HCG。 说 明 书 CN 104011950 A 4 2/12 页 5 0013 图 1 图示根据本公开的与 HCG 集成的 VCSEL 的示例。VCSEL 可以以可以包括诸如 p 接触、 n 接触、 牺牲层。
14、、 氧化物层、 钝化层等之类的各种构成的各种配置形成。为了本公开 的目的， 讨论与离散的激光发射波长的产生和 / 或发射直接相关的构成。 0014 在本公开的详细描述中， 参考形成本公开的一部分的附图， 在附图中通过图示示 出本公开的示例可以被如何付诸实践。充分详细地描述这些示例， 以使本领域技术人员能 够实施本公开的示例， 并且应理解， 可以利用其它示例并且在不背离本公开的范围的情况 下可以做出过程、 电气和 / 或结构的改变。进一步， 在适合的场合， 本文中使用的 “例如” 和 “作为示例” 应当被理解为对 “作为示例且不作为限制” 的缩写。 0015 本文中的图符合编号惯例， 其中第一位。
15、数字或头几位数字对应于该图的图号， 剩 余数字识别该图中的组件或部件。 不同图之间的相似组件或部件可以通过使用相似的数字 来识别。例如， 116 可以指图 1 中的组件 “16” ， 并且相似的组件可以在图 2 中被称为 216。 可以添加、 交换和 / 或消除本文中的各图中示出的组件， 以便提供本公开的多个附加示例。 另外， 图中提供的组件的比例和相对大小旨在图示本公开的示例， 而不应按照限制的意义 去理解。 0016 如图 1 中图示的， 与 HCG 集成的 VCSEL100 的示例可以包括具有垂直腔的孔 (aperture)102( 例如， 相对于 VCSEL 的其它部件与 VCSEL1。
16、01 的上表面关联 ) 的 VCSEL101 的示例。HCG103 可以与垂直腔的孔 102 集成。在一些示例中， HCG103 还可以担当 VCSEL101 的顶部镜。 0017 可以将 HCG103 形成为包括具有特定节距 104 和特定占空比的光栅 ( 例如， 通过顶 部镜的电子束光刻以及其它适合的刻蚀技术 )。本公开中使用的光栅节距 104 指光栅的一 实体条的开始和光栅的相邻实体条的开始之间的规则重复的距离。因此， 节距 104 穿越一 个实体条 105 的宽度和相邻实体条之间的相邻空闲空间 106。在本公开中使用的光栅占空 比指实体条 105 的宽度与节距 104 的比。因为实体条。
17、 105 的宽度和空闲空间 106 可以是恒 定的， 因此节距104可以在整个HCG的范围内恒定(例如， 规则地重复)， 这还可以使占空比 在整个 HCG 的范围内恒定。 0018 与 HCG 集成的 VCSEL100 的示例可以被形成为包括 HCG103 下方的垂直腔 107 的底 切部分 ( 例如， 通过适当的底部刻蚀技术 )。为了说明目的， 垂直腔 107 在图 1 中表现为空 的。然而， 在各示例中， 垂直腔 107 可以被充有 ( 例如， 如本文中或其它地方描述的 ) 各种 气态、 液态和 / 或固态的材料。在垂直腔 107 的被底切的部分下方可以形成有源区 108。有 源区 108。
18、 可以由多个增益介质材料层形成， 在进行电激励时， 可以放大特定多个或特定范 围的波长的光子生成。 0019 与 HCG 集成的 VCSEL100 的示例可以被形成为包括有源区 108 下方的可以用作底 部镜 110 的多个层。在一些示例中， 底部镜 110 的多个层的预定结构可以导致底部镜 110 被形成为分布式布拉格反射 (DBR) 镜。 0020 当电子和空穴在相同区域内出现时， 它们可以复合或 “湮灭” ， 结果是自发辐射， 也 就是说， 电子可以再占用空穴的能态， 发出具有与所涉及的电子和空穴态之间的差异相等 的能量的光子。 本文介绍的多种材料是可以被用来制造发出光子的结二极管的化合。
19、物半导 体材料的示例。具有与复合能量相等的能量的邻近光子可以通过受激辐射导致复合。这可 以生成具有与第一光子的相同的频率的、 沿相同方向传播的、 具有相同偏振和相位的另一 说 明 书 CN 104011950 A 5 3/12 页 6 光子。受激辐射导致注入区中的 ( 例如， 特定波长的 ) 光波中的增益， 并且该增益随穿越该 结注入的电子和空穴的数量增加而增加。 0021 增益区可以与光学腔关联， 使得光被限制为相对窄的线。腔的两端可以形成光滑 的平行的边缘， 例如形成法布里 - 泊罗谐振器。在发出光子之前， 光子可以在每个端面上反 射数次。当光波穿过腔时， 其可以被受激辐射放大。如果放大比。
20、损耗 ( 例如， 由于吸收和 / 或通过在端面上的不完全反射 ) 多， 则二极管开始 “发射激光” 。 0022 影响所发出的光子波长的一些属性可以通过光学腔的几何构造来确定。 在垂直方 向上， 光可以包含在薄层内， 并且该结构可以支持沿与层垂直的方向上的单个光学模。 在横 向上， 如果光学腔比光的波长宽， 则波导可以支持多个横向光学模， 并且激光器被称为 “多 模” 。在希望小的聚焦束的应用中， 可以将光学腔制得窄， 处于光学波长量级。因此， 支持单 个横模。这样的单模激光器可以被用于光学存储、 激光指示器和激光器光学器件以及其它 应用。 0023 激光中的模是驻光波。 一些激光器是多模的，。
21、 这可以由各种因素导致， 例如光学腔 的尺寸和形状、 有源区的特定材料和配置以及镜的类型和其它考虑。 基于这样的考虑， 可以 通过将 HCG 与垂直腔的孔集成而将多模激光器减向为单模激光器。与 VCSEL 的垂直腔的孔 集成的 HCG 的厚度、 节距和 / 或占空比， 可以支持腔中的 ( 例如， 具有单个纵向和垂直参数 的 ) 单个驻光波， 因此该激光器可以发出单个激光发射波长。在一些示例中， 单个激光发射 波长可以包括 1 纳米 (nm) 范围内的多个波长。此外， 本文描述的 HCG 的厚度、 节距和 / 或 占空比可以被调整为改变 VCSEL 的单模和由激光器发出的单个激光发射波长。 00。
22、24 影响 HCG 的孔尺寸的这种特性变化还可对影响 HCG 的反射率做出贡献。因此， 可 以选择对孔的尺寸和 / 或反射率的改变， 以形成单模激光器。于是， 选择不同 HCG 特性可导 致能够由 VCSEL 发出不同波长， 并且增强 VCSEL 作为单模激光器操作的能力。例如， 特定的 HCG 特性可能对 ( 例如， 在激光器腔中的 ) 较高阶的模比对较低阶的模产生更大损耗 ( 例 如， 通过对较低阶的模的反射率较高 )。 0025 所发出的波长可以是半导体的带隙和光学腔的模的函数。通常， 最大增益将对能 量稍高于带隙能量的光子产生， 并且与增益峰值最近的模会最强烈地发出激光。一些激光 二极。
23、管， 如大多数可见激光器， 以单个波长操作， 但是该波长可能由于电流或温度的波动而 不稳定。 0026 由于衍射， 束可能在离开激光器 ( 例如， 芯片上的半导体激光器 ) 以后快速地发 散。在一些情况中， 可以使用多个透镜来形成准直束。对 VCSEL 而言， 使用对称透镜时， 由 于垂直和横向的发散性不同， 准直束在形状上是椭圆的。使用集成的 HCG 可至少部分地替 代准直透镜， 同时还将所发出的光子减少至单个激光发射波长或者窄的激光发射波长带。 0027 在一些情况中， 低带隙材料层可以夹在两个高带隙层之间。一对这样的材料是砷 化镓 (GaAs) 与铝镓砷 (AlxGa(1-x)As)。自。
24、由电子和空穴同时存在的区域有源区， 可以被 约束至薄的中间层， 使得更多的电子 - 空穴对可对放大做出贡献， 但没有这么多在差的放 大边缘被遗漏。 此外， 光子可以从两种材料之间的结中反射， 使得光子被约束至发生放大的 有源区。 0028 如果中间层被制造得足够薄， 则其可以担当对电子的波函数的垂直变化及由此对 其能量的成分进行量子化的量子阱。量子阱激光器的效率可大于体激光器的效率， 因为量 说 明 书 CN 104011950 A 6 4/12 页 7 子阱中的电子的状态函数的密度可以具有将电子集中在对激光作用做出贡献的能量态的 陡峭边缘。包含一个以上量子阱层的激光器可以被称为 “多量子阱”。
25、 激光器。多个量子阱 可以改善增益区与光波导模的重叠。通过将量子阱层缩减至量子线或量子点 “海” ， 可以实 现激光器效率的进一步提高。 0029 刚刚描述的量子阱二极管可以具有太小以至不能有效地约束光的薄层。 为了进行 补偿， 可以在例如前三层外侧上添加另两个层。 这些层可以具有比中心层更低的折射率， 因 此更有效地约束光子。 0030 VCSEL 具有沿电流流动方向而非与电流流动垂直的方向 ( 例如， 如在其它激光器 二极管中那样 ) 的光学腔轴线。有源区长度与横向尺寸相比小， 使得光子从腔的上表面而 非从其边缘发出。 腔的顶部和底部处的反射器可以是由四分之一波长厚的高反射率材料和 低反射。
26、率材料的交替层制成的电介质镜， 其可以是 DBR 镜。如果使得交替层的厚度和反射 率导致界面处的部分反射波的相长干涉， 则这样的 DBR 镜可以在期望的自由表面波长下提 供高程度的波长选择性反射能力。 0031 当与制作边发射的激光器相比时， 制作 VCSEL 有几个优点。在制作过程结束之前， 不对边发射器进行测试。如果边发射器不工作， 无论是因为不良的接触还是差的材料生长 质量， 则生产时间都会增加并且会牺牲处理材料。此外， 由于 VCSEL 发出与激光器的有源区 垂直的束， 而非如边发射器发出与有源区平行的束， 所以许多(例如， 数千)VCSEL可以在单 个基板上同时地 ( 例如， 在单个。
27、半导体芯片上单体地 ) 被处理。相应地， 与边发射激光器相 比， VCSEL 的生产可以被控制至更可预测的产量。 0032 图 2 图示根据本公开的与单模波导集成的光栅耦合器的示例。图 2 中图示的与单 模波导集成的光栅耦合器 215 可以包括光栅耦合器 218， 其中光栅具有用于例如具有特定 波长和 / 或以从法线 ( 例如， 垂直于光栅 ) 起特定入射角的入射光 222 的折射的预定节距 220。光栅耦合器 218 的节距 220( 除占空比以外 ) 可以进行折射， 使得入射光 222 沿单模 波导 226 以期望的方向传播。 0033 单模波导 226 可以由基板 228 支撑。在各示例。
28、中， 基板 228 可以包括具有与单模 波导 226 不同的折射率和 / 或反射率的多个层。因此， 例如， 基板 228 可以具有与单模波导 226 相邻的氧化物层， 该氧化物层形成在硅层上。 0034 用于沿波导折射光的光栅的节距 () 可以通过例如下面的公式、 使用波导的有 效折射率 neff( 例如， 对空气归一化的传播矢量 )、 针对以与法线的特定入射角 ()( 例如， 当与光栅垂直提供入射光时， 可以具有 0.0 的值 ) 的特定波长的入射光 () 进行预定 ： 0035 /(neff-sin) 0036 通过由高折射率硅形成光栅耦合器、 形成具有闪耀光栅的光栅耦合器和 / 或在光 。
29、栅下放置反射材料 ( 例如， 镜 )， 在各个示例中， 可以提高光栅耦合器的效率。 0037 在激光器光学器件通信中， 单模波导可以是被设计为仅携带光的单个空间模的光 纤。 在此环境下， 模是用于波的亥姆霍兹方程式的可能解， 该解是通过合并麦克斯威方程式 和边界条件获得的。这些模限定波传播通过空间 ( 例如， 波如何在空间中分布 ) 的方式。 光波可以具有相同的模， 但是可以具有不同的频率。 在单模波导中情况是这样， 单模波导可 以携带具有不同频率但是具有相同空间模的光波， 这意味着它们在空间中以相同的方式分 布。 说 明 书 CN 104011950 A 7 5/12 页 8 0038 单模。
30、波导可以比多模波导表现显著更低的模态色散。因此， 单模波导比多模波导 在通过较长距离获得每个光脉冲的保真度时会更好。出于这些原因， 单模波导可以具有比 多模波导更高的带宽。 0039 图 3 是根据本公开的与连接至具有 HCG 的集成 VCSEL 的光栅耦合器集成的单模波 导的示例。图 3 中图示的与连接至具有 HCG 的集成 VCSEL 的光栅耦合器集成的单模波导 330， 可以包括在基板 332 上形成的单模波导 ( 例如， 硅上的硅石等 )。 0040 本文描述的与光栅耦合器 336 集成的单模波导 334 可以形成在基板 332 上。单模 波导 334 可以具有用来与光栅耦合器 336。
31、 集成的较宽的过渡区， 以提供用于光子进入与光 栅耦合器 336 上的入射光束 337 的区域相比更窄通路的漏斗。 0041 入射光束 337 可以由如本文描述的与光栅耦合器 336 相邻放置的具有 HCG 的单个 集成VCSEL(未示出)发出， 使得从其中发出的光子(例如， 具有特定的激光发射波长)碰撞 光栅耦合器 336。基板 332 可以包括其上的焊料凸块 339 的图案 ( 例如， 在各种图案中 )。 具有 HCG 的单个集成 VCSEL( 例如， 在单个模下操作 ) 可以包括其上的焊料凸块的对应图案 ( 例如， 围绕垂直腔的孔 )。因此， 具有 HCG 的单个集成 VCSEL 可以通。
32、过匹配对应图案中的 焊料凸块而与光栅耦合器 336 自对准。在此自对准以后， 在所匹配的焊料凸块 ( 例如， 通过 加热所匹配的焊料凸块 ) 之间可以形成接合 (bond)。 0042 这样的自对准可以例如通过将该具有HCG的单个集成VCSEL(例如， 在单个半导体 芯片上 ) 倒装到其上具有焊料凸块 339 的图案的基板 332 上来执行， 使得该具有 HCG 的单 个集成 VCSEL 上的焊料凸块的对应图案通过 “倒装芯片” 工艺匹配基板 332 上的那个。类 似地， 例如， 在单体地集成的阵列 ( 例如， 在单个半导体芯片上 ) 中的多个 VCSEL( 例如， 每 个操作在单模下 ) 可。
33、以各自作为一组通过倒装芯片工艺与在基板上放置的具有分离的单 模波导的多个光栅耦合器自对准。在一些示例中， 该具有 HCG 的单个集成 VCSEL 和 / 或在 单体地集成的阵列 ( 例如， 在单个半导体芯片上 ) 中的多个 VCSEL 可以直接被倒装芯片到 平台材料上并且与其接合。 0043 可以改变入射光的输入角(例如图2中图示的沿特定单模波导的路径被折射的入 射光222对法线的特定入射角()。 在各示例中， 可以通过改变焊料凸块中的一些或全部 的高度来确定输入角。在各示例中， 输入角可以通过在焊料凸块中的一些或全部的期望位 置下刻蚀到平台材料内的特定深度来确定。 0044 图 4 图示根据。
34、本公开的与多个 VCSEL 集成的波分复用器 (WDM) 的示例。图 4 中图 示的与多个 VCSEL( 例如， 每个操作在单模下 ) 集成的 WDM440 可以例如形成在平台 442( 例 如， 其包括在硅平面光波电路 (PLC) 的玻璃或硅石以及其它材料 ) 上。该平台可以在一些 示例中是共同延展的和 / 或由与图 3 中图示的基板 332 相同或相似的材料形成。 0045 平台 442 可以例如支撑将多个 VCSEL 与 HCG444-1 至 444-N 集成的单体地集成的 阵列 443( 例如， 在单个半导体芯片上 )。具有 HCG444-1 至 444-N 的多个 VCSEL 中的每。
35、个可 以被形成为产生相同的光波长 ( 例如， 通过被形成有相同的腔尺寸和形状、 相同的有源区、 相同的 DBR 镜等 )。然而， 从具有 HCG444-1 至 444-N 的 VCSEL 中的每个发出的激光发射波 长可以， 通过如本文描述那样改变与多个 VCSEL 中的每个 VCSEL 的垂直腔的孔集成的特定 HCG( 例如， 被给予固定的厚度 ) 的节距和 / 或占空比， 与这多个中的全部其它离散。因此， 具有 HCG444-1 至 444-N 的多个 VCSEL 中的每个可以发出离散的激光发射波长 ( 例如， 通过 说 明 书 CN 104011950 A 8 6/12 页 9 每个操作在。
36、单模下)。 例如， 图4中示出的单体地集成的阵列443可以发出来自具有其上形 成的 HCG 的八个单模 VCSEL 的八个离散的激光发射波长。 0046 本文中描述的与光栅耦合器445-1至445-N集成的多个单模波导可以连接至具有 HCG444-1 至 444-N 的多个 VCSEL 中的每个 ( 例如， 通过倒装芯片工艺自对准 )。例如， 图 4 中示出的单体地集成的阵列 443 可以发出来自具有其上形成的 HCG 的八个单模 VCSEL 的、 被与光栅耦合器集成的八个单模波导收集和传输的、 八个离散的激光发射波长。本文中描 述的离散的激光发射波长中的每个可以被视为激光器光学 “信道” 。。
37、 0047 与光栅耦合器445-1至445-N集成的多个单模波导中的每个可以被聚拢为将所传 输的离散激光发射波长馈送到 WDM441 的输入内。本文中描述的 WDM441 可以是阵列式的波 长光栅 (AWG), 在这里， 离散的激光发射波长被输入到第一自由空间传播区 446 内。 0048 进入的光可以穿越第一自由空间传播区 446 并且进入一束分离信道波导 447。信 道波导447具有不同的长度， 因此在光穿越到第二自由空间传播区448内时在信道波导447 的出口处施加不同的相移， 在第二自由空间传播区 448 内离散的波长中的每个可以被合并 用于在单个光波导 449 中输出。在如刚刚描述那。
38、样操作时， AWG 起到复用器的作用。 0049 在沿相反的方向操作时， AWG 起到解复用器的作用。例如， 当通过单个光波导输入 多个波长时， 它们以每个输出信道仅接收特定波长的光的方式在多个单模波导的入口处相 互作用。 0050 AWG可以包括以恒定长度增量增加的多个波导。 当充当解复用器时， 光可以通过单 个光波导被输入到设备内。 光可以从输入波导中衍射出并且传播通过第二自由空间传播区 并且以高斯分布照射波导。 耦合至波导的每个波长的光可以经历被归因于波导中的恒定长 度增量的恒定相位变化。 从每个波导中衍射的光可以相长干涉并且在分离的信道波导处被 再聚焦， 空间位置和输出信道是依赖于相移。
39、的波长。 0051 AWG 可以被用作 WDM 系统中的光 ( 解 ) 复用器。AWG 能够将多个波长复用到单个 光波导内， 从而提高光网络的传输容量。 AWG基于具有不同波长的光波彼此线性地相互作用 的光学基本原理。 这意味着， 如果光通信网络中的每个信道利用具有稍不同波长的光， 那么 来自大量这些信道的光可以以可忽略的信道间串扰被单个光波导运输。这样， AWG 可以被 用来将数个波长的信道复用到传输端的单个光波导上， 还可以被用作用来在光通信网络的 接收端取得不同波长的单独信道的解复用器。 0052 图 5 图示根据本公开的与多个单体地集成的 VCSEL 阵列集成的 WDM 的示例。图 5。
40、 中图示的与多个单体地集成的 VCSEL 的阵列集成的 WDM550 可以包括例如本文中描述的 WDM541。 0053 WDM541 可以与多个单体地集成的 VCSEL552-1 至 552-N( 例如， 在单个半导体芯片 上集成的单体地集成的阵列中的每个)的阵列集成。 单体地集成的VCSEL552-1至552-M的 阵列中的每个可以包括其上形成有 HCG 的多个 VCSEL( 例如， 如图 4 所示的 )。单个单体地 集成的阵列上的具有 HCG 的多个 VCSEL 中的每个可以被形成为产生相同的光波长 ( 例如， 通过被形成有相同的腔尺寸和形状、 相同的有源区、 相同的DBR镜等)。 然而。
41、， 多个单体地集 成的阵列的不同阵列上的具有HCG的多个VCSEL中的每个可以被形成为产生不同的光波长 ( 例如， 通过被形成有不同的腔尺寸和形状、 不同的有源区、 不同的 DBR 镜等 )。 0054 从多个单体地集成的阵列 552-1 至 552-M 中的每个上的具有 HCG 的 VCSEL 中的每 说 明 书 CN 104011950 A 9 7/12 页 10 个中发出的激光发射波长， 可以与这多个中的全部其它离散。这可以通过多个单体地集成 的阵列 552-1 至 552-M 中的每个执行， 多个单体地集成的阵列 552-1 至 552-M 被形成为， 除 了如本文描述的那样改变与多个。
42、VCSEL中的每个的垂直腔的孔集成的特定HCG(例如， 被给 予固定厚度 ) 的节距和 / 或占空比以外， 还产生不同的波长或波长范围。这样， 多个单体地 集成的阵列 552-1 至 552-M 中的每个上的具有 HCG 的多个 VCSEL 中的每个可以， 由发射离 散的波长范围的多个单体地集成的阵列 552-1 至 552-M 中的每个， 发射离散的激光发射波 长。例如， 图 5 中示出的八个单体地集成的阵列可以各自发出来自具有其上形成的 HCG 的 八个单模 VCSEL 的八个离散的激光发射波长。 0055 本文中描述的与光栅耦合器553-1至553-M集成的多个单模波导可以连接至多个 单。
43、体地集成的阵列 552-1 至 552-M 中的每个上的具有 HCG 的多个 VCSEL 中的每个 ( 例如， 通过倒装芯片工艺自对准 )。例如， 图 5 中示出的八个单体地集成的阵列 552-1 至 552-M 中 的每个可以发出来自具有其上形成的 HCG 的八个单模 VCSEL 的、 被与光栅耦合器集成的 64 个单模波导收集和传输的、 八个离散的激光发射波长。由于本文中描述的离散的激光发射 波长中的每个可以被视为激光器光学信道， 所以图 5 示出 64 个信道被输入到 WDM541 内。 0056 与光栅耦合器553-1至553-M集成的多个单模波导中的每个可以被聚拢为将所传 输的离散激。
44、光发射波长馈送到 WDM541 的输入内， 在这里离散的激光发射波长被输入到第 一自由空间传播区 546 内。进入的光可以穿越第一自由空间传播区 546 并且进入该束分离 信道波导547。 信道波导547具有不同的长度， 因此在光穿越到第二自由空间传播区548内 时在信道波导 547 的出口处施加不同的相移， 在第二自由空间传播区 548 内离散的波长中 的每个可以被合并用于在单个光波导 555 中输出。如图 5 中图示的， 单个光波导 555 可以 运输由从多个单体地集成的阵列中的每个中的多个VCSEL(例如， 每个操作在单模下)中发 出的离散激光发射波长的总数确定的多个信道， 在该示例中是。
45、 64 个信道。 0057 如图 4 中所示， 与图 5 中图示的多个单体地集成的 VCSEL 阵列集成的 WDM550 可以 例如形成在单个平台 ( 例如， 其包括硅 PLC 上的玻璃或硅石以及其它材料 ) 上。电引线可 以在各示例中形成在用于多个集成的 VCSEL 和 HCG 和 WDM 的单个平台 ( 例如， 其包括多个 单模波导 ) 上。电引线可以在各示例中使能够对包括待由集成的 VCSEL 和 HCG 转换成光的 数据的驱动电流进行调制。 0058 图 6 是图示根据本公开的受 HCG 的特定节距和特定占空比影响的由 VCSEL 发出的 谐振波长的示例的图。图 6 中图示的图 660。
46、 包括纵轴， 纵轴针对与 VCSEL 的垂直腔的孔集 成的多个HCG中的每个， 以纳米(nm)为单位示出节距663。 该图包括横轴， 横轴针对与相同 VCSEL的垂直腔的孔集成的多个HCG中的每个， 示出被表达为百分比的占空比665(例如， 占 空比乘以 100)。 0059 将 VCSEL 中的每个形成为产生相同的光波长 ( 例如， 通过被形成有相同的腔尺寸 和形状、 相同的有源区、 相同的 DBR 镜等 )。然而， 多个 VCSEL 中的每个上的 HCG 的节距 663 和 / 或占空比 665 的预定变化可以导致发出一范围的谐振波长 668。也就是说， VCSEL 中的 每个可以， 根据。
47、其集成的 HCG 的节距和 / 或占空比的差异， 具有不同的谐振波长。 0060 谐振可以是系统 ( 例如， VCSEL) 在一些频率下比在其它频率下以更大的振幅振荡 的趋势。激光器 ( 例如， VCSEL) 的光学腔包括形成用于光的驻波谐振器的镜布置。激光器 的光学腔与有源区关联并且提供由有源区产生的光的反射反馈。 在光学腔中约束的光反射 说 明 书 CN 104011950 A 10 8/12 页 11 多次并且对特定谐振频率产生驻波。 不同的谐振频率可以通过与光学腔关联的镜的配置和 / 或镜之间的距离中的差异产生。如在本公开中描述的， 与 VCSEL 的垂直腔的孔集成的 HCG 是镜之一。
48、。这样， 通过改变与垂直腔的孔集成的特定 HCG( 例如， 被给予固定厚度 ) 的节距 和/或占空比， 从被形成为产生相同光波长的VCSEL中可以产生离散的谐振频率， 并且可以 发出离散的激光发射波长。 0061 如在图 6 的图 660 中图示的， 被形成为产生相同光波长的 VCSEL 可以具有谐振波 长的范围668(例如， 其变得发出激光发射波长)， 其中该范围中的特定波长依赖于HCG的特 定节距和 / 或占空比。图 660 示出， 依赖于为该 HCG 选择的特定节距 663 和 / 或特定占空 比665， 谐振波长的该范围668覆盖至少55nm的范围(例如， 从大约820nm至大约875。
49、nm， 尽 管未示出该完整的波长范围 )。在该示例中， 使 HCG 的节距 663 变长， 同时保持占空比 665 恒定， 趋于使 VCSEL 的谐振波长变长。类似地， 增加 HCG 的占空比 665， 同时保持节距 663 恒 定， 也趋于使 VCSEL 的谐振波长变长。例如， 在 400nm 的节距处， 50的占空比可以导致大 约 843nm 的谐振波长， 而 75的占空比可以导致大约 868nm 的谐振波长。尽管刚刚提供的 示例关于发出 800-900nm 之间的波长的 VCSEL， 但是可以与本公开一致地跨越任何期望的 波长范围实现与 HCG 结合的单独的 VCSEL 和多波长 VCSEL 阵列。 0062 如本公开中描述的， 多个VCSEL(每个被形成为产生相同的光波长)可以位于单体 地集成的阵列中， 具有与每个的垂直腔的孔集成的 HCG， 以便发出多个离散的激光发射波长 的单个激光发射波长(或1nm内的窄波长带)。 此外， 多个单体地集成的阵列中的不同阵列 上的多个 VCSE。