安立光器件開(kāi)發(fā)史 |（三）激光器芯片研發(fā)進(jìn)展

  1964年?yáng)|京奧運會(huì )之后的日本經(jīng)濟高速增長(cháng)時(shí)期，通信需求大幅增加。日本電信電話(huà)公社(NTT的前身)決定建設光纖傳輸網(wǎng)絡(luò )，標志著(zhù)光通信時(shí)代的開(kāi)始。因此，安立傳感與器件公司的前身開(kāi)始開(kāi)發(fā)用于光網(wǎng)絡(luò )測量?jì)x器的關(guān)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(shí)期的產(chǎn)品基礎。本系列文章介紹了安立傳感器件公司開(kāi)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(kāi)發(fā)故事。

  (一)半導體激光器開(kāi)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，我們第一次大規模生產(chǎn)光學(xué)器件時(shí)，使用液相外延(LPE)生長(cháng)設備來(lái)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(shí)現全球最高光學(xué)輸出。

  Cross-Section of First LD Design

  在20世紀80年代末，通過(guò)在光纖芯中摻雜稀土鉺(Er)來(lái)直接放大1.5-μm波長(cháng)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(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(jì)，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(chǎng)參與者，借此泵浦激光器(Pump-LD)發(fā)展成為主要的產(chǎn)品線(xiàn)。

  20世紀90年代，隨著(zhù)氣相外延生長(cháng)設備的引入，晶體的生長(cháng)過(guò)程發(fā)生了變化，如下圖顯示了現代泵浦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(cháng)度的變化。

  Cross-Section of Latest Pump LD Design

  為了提高輸出功率，需要加長(cháng)芯片和調整有源層厚度。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(chēng)的，但在這種結構中光分布是不對稱(chēng)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(cháng)度和寬度對于提高輸出功率起著(zhù)關(guān)鍵作用。

  在第一個(gè)開(kāi)發(fā)階段，LD芯片的長(cháng)度為300μm，但在現代設計中已達到幾個(gè)毫米，成功實(shí)現芯片輸出功率超過(guò)1W。目前，我們的高輸出產(chǎn)品已實(shí)現650mW的光纖輸出，是首個(gè)產(chǎn)品輸出水平的10倍以上。由于晶體外延生長(cháng)設備的進(jìn)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(gè)原子厚度)制成的量子阱結構得以實(shí)現。

  (2)DFB激光器(DFB-LD)

  一般的激光二極管，如泵浦LD，以多個(gè)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，我們研制了一款內置光柵的分布反饋半導體激光器(DFB-LD)，用于選擇特定波長(cháng)。

  光柵是一種常見(jiàn)的光學(xué)元器件，利用波長(cháng)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;波紋節距取決于目標波長(cháng)，但通常約為四分之一微米。圖(c)重新生長(cháng)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(xué)干涉曝光方法，我們也引進(jìn)了這項技術(shù)。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(diǎn)是激光波長(cháng)略有不同的激光二極管可以在一個(gè)晶圓上制造，并且每個(gè)光柵的間距可以在單個(gè)芯片內改變。

  DFB-LD設計不僅用作光通信光源，而且通常與電吸收(EA)調制器集成。此外，使用一個(gè)模塊支持多個(gè)波長(cháng)的可調諧波長(cháng)激光器也變得越來(lái)越普遍。另一方面，氣體檢測傳感器需要波長(cháng)與氣體吸收線(xiàn)匹配的光源，為固定波長(cháng)DFB LDs提供應用，無(wú)需高速調制。