安立光器件開發(fā)史 |（三）激光器芯片研發(fā)進展

  1964年東京奧運會之后的日本經(jīng)濟高速增長時期，通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)決定建設光纖傳輸網(wǎng)絡，標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)絡測量儀器的關鍵器件，如半導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。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)半導體激光器開發(fā)的黎明期

  (二)制程技術的變遷

  (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)光學器件時，使用液相外延(LPE)生長設備來形成半導體晶體。下圖表示典型LD橫截面。采用有源層InGaAsP(銦、鎵、砷化物、磷化物)填埋設計，從而實現(xiàn)全球最高光學輸出。

  Cross-Section of First LD Design

  在20世紀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)絡的發(fā)展中發(fā)揮了關鍵作用。

  20世紀90年代初，我們在高功率輸出LD技術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90年代，隨著氣相外延生長設備的引入，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設計結構的主要變化。新結構擁有很多自己的特征，例如半導體襯底、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，但在這種結構中光分布是不對稱的，因為光分布向高折射率襯底側不均衡。以這種方式擴展有源層的長度和寬度對于提高輸出功率起著關鍵作用。

  在第一個開發(fā)階段，LD芯片的長度為300μm，但在現(xiàn)代設計中已達到幾個毫米，成功實現(xiàn)芯片輸出功率超過1W。目前，我們的高輸出產(chǎn)品已實現(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備的進步和革命性結構設計的引入，使得由極薄的半導體層(只有幾個原子厚度)制成的量子阱結構得以實現(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體激光器(DFB-LD)，用于選擇特定波長。

  光柵是一種常見的光學元器件，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)距取決于目標波長，但通常約為四分之一微米。圖(c)重新生長后的半導體襯底DFB-LD光柵圖案。

  近年，主要趨勢是電子束(EB)光刻方法取代光學干涉曝光方法，我們也引進了這項技術。電子束光刻設備可以使用電子槍的電子束直接在晶圓上繪制精細圖案。優(yōu)點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提供應用，無需高速調(diào)制。