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(shè)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，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(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，從而實現(xiàn)全球最高光學(xué)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(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，因為光分布向高折射率襯底側(cè)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(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(shè)備的進步和革命性結(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，我們也引進了這項技術(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(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。