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Y5T251激光器从材料到芯片

接着昨天来写。激光器是咱们光模块中成本占比最大,也是故障率最高的一个器件。

一个常用的DFB激光器,大约的流程如下图所示。

一般情况下,衬底是一些厂家单独来做,芯片公司分两类。

一类是,可以做外延生长,以及芯片的设计与后端结构制作。

另一类是,外延片由一个厂家来做(IQE、landmark等),激光器设计与结构由另一个厂家来做。

一、从材料到衬底

激光器的衬底分两大类,一类是GaAs,另一类是InP,都是三五族化合物。

衬底最大的目的是把它们做成单晶。供后端去生长材料。

Y5T250 激光器衬底--InP单晶

二、从衬底到外延片

外延就是在激光器的衬底上,一层层的长材料,把激光器所需的各层按设计长好。

为什么选择InP做衬底?

首先光纤要传输光信号,光纤的低损耗窗口有两个,一是1310nm,二是1550nm,俗称两个光通信波段。

激光器的发射波长,是由发光层的材料的带隙决定,简单理解就是材料中原子周边的电子从激发态回落,能释放的能量大小,决定了光的发射波长,而恰好InP这种材料以及材料的进一步化合物的发光波长在通信波段。

Y5T147 激发态是个什么态

Y5T13 导带、价带

为什么外延生长那么难?

一个激光器有很多层,这些个材料要一层层的附着在一起。

首先长这么多层材料,咱不能够让它们隔两天层和层之间滑落散开了吧。这第一个要求就对层和层之间的材料选择范围缩小掉难以企及的地步。

层和层的原子们就像垒砖,不同层是不同的砖结构,两种砖结构之间的如何配合不产生应变,尽量少产生错位,是个非常难的事。

第二能受得住高低温,这些层的材料,都有各自的热胀冷缩特性,好么,几个冬天和夏天,各自热胀冷缩下,层与层开裂,激光器熄火,不是不可能啊。

第三是光的特性,特性中光的形式,长度决定光的纵模,宽度和结构决定了光的横模,上下的限制层和有源层形成的光的反射和导出区域。

Y2T13   激光的横模与纵模--模式、模场、单纵模、多纵模

第四是电的特性,一个激光器是个PN二极管,然后中间加一层本征层,形成PIN结构。电的特性,等效的电阻,寄生的电容电感,这都影响着整个激光器的电光转换效率、频率。

第五是电光之间的共同特性,电光之间的转换效率太低,那多余的能量就成了热,热量一会儿积累起来,就把激光器给烧断了。

提高电光之间的效率,其中一个路径是用异质材料,P和N这个二极管用不同的材料来做,原本同一种材料已经很难做,那用多种材料就更不容易满足第一和第二。

提高电光效率第二个里程碑点是用量子阱,就是多层薄膜做电子能量捕捉器。 就是原本用蒸锅做三层发糕,现如今要在中间加几层千层软饼,出国之后还得保持稳定。

这是对大厨的极端考验。

为什么光栅二次生长很重要?

DFB激光器需要刻蚀光栅,光栅的位置是在激光器内部,也就是刻蚀之后需要继续长材料。

约等于,FP就是蒸一锅多层发糕,一层层的撒面制作,出锅后切型端盘OK。

DFB也是蒸多层发糕,但中间有个过程,是对铺着的一层山楂这一层做形状,用刀对山楂切条,切完之后继续上锅撒面蒸顶层材料。

DFB二次进外延炉,高温有可能对对光栅条的形状产生了额外的形变,导致之后性能劣化。

为什么BH结构难做?

参考上一条,DFB之比FP多一道切光栅的工序,重新回到外延炉就已经很难保持形状了的。

现如今把波导结构都做好之后,需要继续回外延炉长材料,换句话说,多层发糕已经在顶层雕花,然后还要继续回炉再蒸一回。如果不破坏发糕各种形状当然好啊,可是难。

Y5T145 为什么激光器的BH结构需要多次外延

可BH结构分别在电学上和光学上做了进一步的优化,电上是增加了一组反向PN结,对载流子的方向的约束增强,降低激光器的阈值电流。

另一方面是对激光器的光斑做了优化,更圆,提高和光纤的耦合效率

三、从外延到芯片

外延片做好后,要做波导结构,镀上下电极,做成Bar条后镀两侧的反射膜。OK,一个激光器就做好了。这个是昨天给出的链接。略

检测,出厂。

· 2019-09-11 09:27  本新闻来源自:光通信女人,版权归原创方所有

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