[发明专利]激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光学通信领域，并且特别地其涉及使用半导体激光器的高速光学通信。甚至更具体地，本发明涉及适合于在硅芯片中或到硅芯片的光学互连中使用的半导体激光器。本发明还涉及一种制造激光器的方法和一种当在使用中时对激光器进行调制的方法。

背景技术

在近程光学互连应用中，构建块器件的低能量消耗以及高传输速度正在随着数据传输带宽增加而变成关键技术问题。因此，品质因数是每发射位的能量消耗。根据在[[96]]中提供的最近技术发展蓝图，在2015-2020年对于芯片级光学互连的光发射器而言要求几10s fJ/位。

作为光发射器，垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是优选现有解决方案中的一个。这是因为其制造技术是成熟的，并且其能量消耗由于其小的活性材料体积而比边缘发射激光器的小得多。为了发送位信号，应对光发射器的输出光强进行调制。存在对输出光强进行调整的两种方式：直接调制和间接（或外部）调制。在这两种方法之中，直接调制更容易实现，因为外部调制方法需要外部调制器。

在直接调制方案中，对到激光器的电流注入进行调制。这导致输出光的强度调制。在[[97]]中报告了现有技术结果。传输速度为35Gb/s，排除RF驱动器电路的能量消耗是12.5mW，并且发射波长是980nm。357fJ/位（=12.5mW/35Gb/s）的已示出的每位能量是异常小的，但对于上述应用而言是不够的。这种方法的弱点是难以进一步增加速度或减少能量消耗：激光二极管的速度由其本征响应和电路响应决定。本征速度由与弛豫振荡频率f_r成比例的本征频率响应的-3dB带宽定义：

fr∝I-IthVp---(1)]]>

其中，I是注入电流，I_th是阈值电流且Vp是模体积。为了获得较高的本征速度，注入电流需要较高，同时模体积优选地较小。在已示出的VCSEL中，模体积不太可能进一步减小。这是因为决定模体积的其横向模尺寸和有效腔长度难以进一步减小。在已示出的VCSEL中，3μm的氧化孔径在合理光学损耗的情况下已是最小的。如果将氧化孔尺寸减小至3μm以下以获得较小的模体积，则光学损耗急剧地减增加，导致较高的I_th。在等式（1）中，较高的I_th减小速度。关于注入电流，如果增加电流以获得较高本征速度，则其将导致较高的能量消耗。另一方面，如果减小电流以获得较小的能量消耗，则其将导致较慢的本征速度。因此，基于常规VCSEL结构，难以同时地进一步增加速度并减少能量消耗。还应考虑到高注入电流对小体积激光器的长时间稳定性是有害的。与电路响应有关的速度主要由激光器结构的串联电阻和电容决定。在已示出的VCSEL中，这些寄生项已被严格地抑制。因此，不能预期与寄生项有关的速度方面的显著改善。

如上文所讨论的，3μm的横向模尺寸在合理光学损耗的情况下已是最小的。在VCSEL中，有效腔长度是标称腔长度与到分布式布拉格反射器（DBR）中的场穿透的和。由于需要包括用于光发生的有源区的具有一定厚度的光学腔，所以也不能显著地减小有效腔长度。

因此，在当前已知解决方案中，存在对直接调制VCSEL结构的速度和能量消耗上的限制。为了获得超过现有技术每位能量值的进一步改善，需要创新的激光器结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型半导体激光器，其与目前被用于近程光学互连的半导体激光器相比能够增加半导体激光器的速度和/或减少其能量消耗。本发明的目的还有提供一种用于调制半导体激光器的新型方法和基于该新型半导体激光器的新型光学互连。

本发明的仍另一目的是提供一种用于制造能够克服现有技术对调制速度和能量消耗的上述和目前感知的根本限制的半导体激光器的方法。