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安立光器件开发史 |(三)激光器芯片研发进展

摘要:安立传感与器件公司(Anritsu Sensing &Devices Company)的产品开发历史第三篇:激光器芯片研发进展。

  1964年东京奥运会之后的日本经济高速增长时期,通信需求大幅增加。日本電信電話公社(NTT的前身)决定建设光纤传输网络,标志着光通信时代的开始。因此,安立传感与器件公司的前身开始开发用于光网络测量仪器的关键器件,如半导体激光器和高速混合集成电路。安立传感器件公司今天的许多产品都继承了这一时期的产品基础。本系列文章介绍了安立传感器件公司开发的器件的历史,本篇文章是第三篇,介绍公司主要光器件产品的开发故事。

  (一)半导体激光器开发的黎明期

  (二)制程技术的变迁

  (1)泵浦激光器(Pump-LD)

  如上一篇文章所述,我们第一次大规模生产光学器件时,使用液相外延(LPE)生长设备来形成半导体晶体。下图表示典型LD横截面。采用有源层InGaAsP(铟、镓、砷化物、磷化物)填埋设计,从而实现全球最高光学输出。

  Cross-Section of First LD Design

  在20世纪80年代末,通过在光纤芯中掺杂稀土铒(Er)来直接放大1.5-μm波长的光信号。由于这种直接放大方法使用小型、低成本的1.48μm半导体激光器作为泵浦光源,因此这些激光二极管推广迅速。在高速、大容量通信网络的发展中发挥了关键作用。

  20世纪90年代初,我们在高功率输出LD技术方面的取得了不小的成绩,发布了一款用于光纤的50mW 泵浦激光器(Pump-LD),一举成为主要的市场参与者,借此泵浦激光器(Pump-LD)发展成为主要的产品线。

  20世纪90年代,随着气相外延生长设备的引入,晶体的生长过程发生了变化,如下图显示了现代泵浦LD设计结构的主要变化。新结构拥有很多自己的特征,例如半导体衬底、有源层蚀刻、包层和LD芯片长度的变化。

  Cross-Section of Latest Pump LD Design

  为了提高输出功率,需要加长芯片和调整有源层厚度。在有源层下方的InP附近采用InGaAsP包层,可以大大提高性能。通常光分布是垂直对称的,但在这种结构中光分布是不对称的,因为光分布向高折射率衬底侧不均衡。以这种方式扩展有源层的长度和宽度对于提高输出功率起着关键作用。

  在第一个开发阶段,LD芯片的长度为300μm,但在现代设计中已达到几个毫米,成功实现芯片输出功率超过1W。目前,我们的高输出产品已实现650mW的光纤输出,是首个产品输出水平的10倍以上。由于晶体外延生长设备的进步和革命性结构设计的引入,使得由极薄的半导体层(只有几个原子厚度)制成的量子阱结构得以实现。

  (2)DFB激光器(DFB-LD)

  一般的激光二极管,如泵浦LD,以多个纵模振荡,但用作光通信光源的LD必须以单纵模形式存在。因此,我们研制了一款内置光栅的分布反馈半导体激光器(DFB-LD),用于选择特定波长。

  光栅是一种常见的光学元器件,利用波长周期及相位间隔形成衍射和干涉产生干涉条纹。下图(a)用于制作图案的干涉曝光设备的示意图。氩激光器发出的激光分裂成两条路径,在基板上制作条纹图案。图(b)在基板上制作的光栅图案示例;波纹节距取决于目标波长,但通常约为四分之一微米。图(c)重新生长后的半导体衬底DFB-LD光栅图案。

  近年,主要趋势是电子束(EB)光刻方法取代光学干涉曝光方法,我们也引进了这项技术。电子束光刻设备可以使用电子枪的电子束直接在晶圆上绘制精细图案。优点是激光波长略有不同的激光二极管可以在一个晶圆上制造,并且每个光栅的间距可以在单个芯片内改变。

  DFB-LD设计不仅用作光通信光源,而且通常与电吸收(EA)调制器集成。此外,使用一个模块支持多个波长的可调谐波长激光器也变得越来越普遍。另一方面,气体检测传感器需要波长与气体吸收线匹配的光源,为固定波长DFB LDs提供应用,无需高速调制。

内容来自:安立通讯科技Anritsu
本文地址:http://www.iccsz.com//Site/CN/News/2021/12/16/20211216085410407011.htm 转载请保留文章出处
关键字: 安立 激光器
文章标题:安立光器件开发史 |(三)激光器芯片研发进展
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