一种斜腔芯片结构

摘要

本申请实施例提供一种斜腔芯片结构，所述斜腔芯片结构包括：光源和发光区；其中，所述光源，用于产生光信号；所述发光区的出射端面镀有介质膜，所述介质膜对所述光信号中的第一子光信号的第一反射率与所述光信号中的第二子光信号的第二反射率不同，所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差小于第一阈值。本申请实施例提供的斜腔芯片结构能够降低经所述斜腔芯片结构出射的光信号的偏振度。

权利要求

1.一种斜腔芯片结构，其特征在于，所述斜腔芯片结构包括：光源和发光区；其中，所述光源，用于产生光信号；

所述发光区的出射端面镀有介质膜，所述介质膜对所述光信号中的第一子光信号的第一反射率与所述光信号中的第二子光信号的第二反射率不同，所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差小于第一阈值；

其中，所述介质膜包括至少两种不同的源材料；

其中，所述源材料的厚度基于下述中的至少一种因素确定；

所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角；

其中，所述源材料的占比基于下述中的至少一种因素确定：所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角；

其中，由于介质膜的不同源材料的占比不同以及厚度不同，使得介质膜对TE模和TM模的反射率不同；通过介质膜对TE模和TM模的反射率不同，能够调整TE模和TM模在发光区的出射端面的出射光功率。

2.根据权利要求1所述的斜腔芯片结构，其特征在于，所述第一反射率和所述第二反射率的大小关系，与入射至所述介质膜之前的所述第一子光信号的第一功率和入射至所述介质膜之前的所述第二子光信号的第二功率相关。

3.根据权利要求2所述的斜腔芯片结构，其特征在于，

若所述第一功率大于所述第二功率，则所述第一反射率大于所述第二反射率；

若所述第一功率小于所述第二功率，则所述第一反射率小于所述第二反射率。

4.根据权利要求1所述的斜腔芯片结构，其特征在于，所述介质膜对所述光信号的总反射率小于或等于第一值。

5.根据权利要求4所述的斜腔芯片结构，其特征在于，所述第一值为0.1％。

6.根据权利要求1所述的斜腔芯片结构，其特征在于，所述光源的光波导方向与所述发光区的出射端面的法线方向具有第一夹角。

7.根据权利要求6所述的斜腔芯片结构，其特征在于，所述第一夹角的范围为3°至18°。

说明书

一种斜腔芯片结构

技术领域

[0001] 本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种斜腔芯片结构。

背景技术

[0002] 随着光纤陀螺、光学层析成像系统、波分复用系统、光学相干层析成像等光纤通讯和医疗设备的迅速发展，超辐射发光二极管(Superluminescent Light Emitting Diodes，SLD)因其宽光谱、高功率、低抖动、弱时间相干性、高光纤耦合效率等优良特性，在光纤通信领域展示出了广阔的应用前景。光纤陀螺零漂、噪声是衡量陀螺性能好坏的重要指标参数，与光源的偏振度(PER)有着直接关系；而PER由光源的TE模和TM模的光功率大小决定的。其中，TE模为电矢量震动方向平行于芯片表面的光信号，TM模为电矢量震动方向垂直于芯片表面的光信号。由理论分析和实验验证可知，光源出射光的偏振度PER越小，越有利于提高光纤陀螺零偏稳定性，并且能抑制光源引起的偏振噪声。因此，如何降低光源产生的光信号的偏振度是一致追求的目标。

发明内容

[0003] 本申请实施例提供一种用于斜腔芯片结构，能够降低经所述斜腔芯片结构出射的光信号的偏振度。

[0004] 本申请实施例的技术方案是这样实现的：

[0005] 本申请实施例提供一种斜腔芯片结构，所述斜腔芯片结构包括：光源和发光区；其中，

[0006] 所述光源，用于产生光信号；

[0007] 所述发光区的出射端面镀有介质膜，所述介质膜对所述光信号中的第一子光信号的第一反射率与所述光信号中的第二子光信号的第二反射率不同，所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差小于第一阈值。

[0008] 在一些可选实施例中，所述介质膜包括至少两种不同的源材料。

[0009] 在一些可选实施例中，所述源材料的厚度基于下述中的至少一种因素确定：

[0010] 所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角。

[0011] 在一些可选实施例中，所述源材料的占比基于下述中的至少一种因素确定：

[0012] 所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角。

[0013] 在一些可选实施例中，所述第一反射率和所述第二反射率的大小关系，与入射至所述介质膜之前的所述第一子光信号的第一功率和入射至所述介质膜之前的所述第二子光信号的第二功率相关。

[0014] 在一些可选实施例中，若所述第一功率大于所述第二功率，则所述第一反射率大于所述第二反射率；

[0015] 若所述第一功率小于所述第二功率，则所述第一反射率小于所述第二反射率。

[0016] 在一些可选实施例中，所述介质膜对所述光信号的总反射率小于或等于第一值。

[0017] 在一些可选实施例中，所述第一值为0.1％。

[0018] 在一些可选实施例中，所述光源的光波导方向与所述发光区的出射端面的法线方向具有第一夹角。

[0019] 在一些可选实施例中，所述第一夹角的范围为3°至18°。

[0020] 本申请实施例提供的斜腔芯片结构包括光源和发光区；其中，所述光源，用于产生光信号；所述发光区的出射端面镀有介质膜，所述介质膜对所述光信号中的第一子光信号的第一反射率与所述光信号中的第二子光信号的第二反射率不同。由于第二子光信号和第一子光信号在斜腔芯片结构内的光功率不同，因此，本申请实施例通过在发光区的出射端面镀有介质膜，使得所述介质膜对所述第一子光信号和所述第二子光信号的反射率不同，实现所述第一子光信号和所述第二子光信号经所述介质膜后的出射光功率相同和相似，进而降低经所述斜腔芯片结构出射的光信号的偏振度。

附图说明

[0021] 图1为本申请实施例提供的斜腔芯片结构的一种可选结构示意图；

[0022] 图2为本申请实施例提供的斜腔芯片结构的侧视图；

[0023] 图3为本申请实施例一提供的TM模和TE模的光功率示意图；

[0024] 图4为本申请实施例一提供的光信号的偏振度曲线示意图；

[0025] 图5为本申请实施例一不同波长范围内TM模和TE模的反射率曲线示意图。

[0026] 图6为本申请实施例二提供的TM模和TE模的光功率示意图；

[0027] 图7为本申请实施例二提供的光信号的偏振度曲线示意图；

[0028] 图8为本申请实施例二不同波长范围内TM模和TE模的反射率曲线示意图。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

[0030] 在对本申请实施例进行详细说明之前，对光源为SLD的斜腔芯片结构(也可称为SLD芯片)进行相关说明。SLD芯片由于材料及波导结构等原因，使得SLD芯片发出的光信号中的TE模和TM模的初涉光功率不相等，即PTE≠PTM。由于光信号的偏振度PER＝10*Lg(PTE/PTM)，因此，若PTE≠PTM，则PER的相对于零比较大；这将影响SLD芯片的应用性能。

[0031] SLD芯片通常采用InGaAsP材料系，在有源区设计上为了降低TE模和TM模的增益相关性，常利用体材料或者多量子阱结构形成增益区，或者通过调整材料的结构和材料比例来降低其偏振相关性。例如采用张应变量子阱结构、应变补偿结构，以及同时采用张应变量子阱和压应变量子阱的混合应变量子阱结构等。除此之外，在后续SLD芯片的封装过程中，也可以设计消偏器来尽量降低光信号偏振度。但是这些方法的制作工艺复杂，往往理论和实验结果存在偏差。除此之外，还会带来设备及材料昂贵以及光纤对准的准确性调节困难等一系列问题。

[0032] 现有技术中，对芯片的端面镀制介质膜的目的通常是为了降低SLD芯片的光谱纹波，只考虑减少芯片端面的总的剩余反射率，从未采用分别对TE模和TM模进行调制以降低光信号的偏振度。本申请实施例采用在斜腔SLD芯片端面上直接镀介质膜的方法来调节出射光的反射率。本申请具体来说是通过镀制介质膜(减反膜)，介质膜对SLD芯片发出的TE模和TM模具有不同的反射率，从而调节SLD芯片的TE模和TM模的出射光功率，使TE模和TM的出射光功率尽可能接近，进而实现SLD芯片的偏振无关。本申请首次通过优化设计减反膜分别对TE模和TM模进行调制，降低光信号的偏振度(PER)。

[0033] 本申请实施例提供一种斜腔芯片结构，所述斜腔芯片结构100的一种可选结构，如图1所示，包括：光源101和发光区A；其中，

[0034] 光源101，用于产生光信号。

[0035] 在一些实施例中，所述光源101可以为SLD芯片的有源区，有源区可以包含的P区和N区。电流从P区经过中间的有源区流向N区。在此过程中，光信号通过空穴和电子的自发随机复合产生。

[0036] 发光区A的出射端面镀有介质膜，所述介质膜对所述光信号中的第一子光信号的第一反射率与所述光信号中的第二子光信号的第二反射率不同，所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差小于第一阈值。其中，第一子光信号可以是TE模，第二子光信号可以是TM模。

[0037] 在一些实施例中，所述介质膜包括至少两种不同的源材料，即所述介质膜可以包括N种不同的源材料，N大于1，且N种不同的源材料均不相同；可以理解为，本申请实施例中的介质膜至少可以是2层介质膜。

[0038] 在一些实施例中，所述源材料可以是AL2O3、SiO、Si3N4、Si、ZrO2、Y2O3、Ti3O5、SiO2等折射率已知的材料。

[0039] 在一些实施例中，所述源材料的厚度可以基于下述中的至少一种因素确定：所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角。所述源材料的占比也可以基于下述中的至少一种因素确定：所述光信号的中心波长、所述第一反射率、所述第二反射率、所述源材料的折射率和所述光信号入射至所述介质膜的入射角。由于介质膜的不同源材料的占比不同以及厚度不同，使得介质膜对TE模和TM模的反射率不同。通过介质膜对TE模和TM模的反射率不同，能够调整TE模和TM模在发光区的出射端面的出射光功率，使得TE模和TM模在发光区的出射端面的出射光功率基本相等，进而实现光信号的偏振度为一较小值，如小于或等于0.5dB。

[0040] 在一些实施例中，第一反射率和所述第二反射率的大小关系，与入射至所述介质膜之前的所述第一子光信号的第一功率和入射至所述介质膜之前的所述第二子光信号的第二功率相关。

[0041] 在具体实施时，若所述第一功率大于所述第二功率，则所述第一反射率大于所述第二反射率；若所述第一功率小于所述第二功率，则所述第一反射率小于所述第二反射率。举例来说，第一功率用PTE1表示，第二功率用PTM1表示，介质膜对第一子光信号的反射率为RTE，介质膜对第一子光信号的反射率为RTM。若PTE1>PTM1，则RTE>RTM；若PTE1

[0042] 在一些实施例中，所述介质膜对所述光信号的总反射率小于或等于第一值。可选的，所述第一值为0.1％。如此，通过限制介质膜对所述光信号的总反射率的值，能够提高光信号的输出功率。

[0043] 在一些实施例中，所述光源101的光波导方向与所述发光区A的出射端面的法线方向具有第一夹角。可选地，若第一夹角用θ表示，θ的范围可以为3°至18°。

[0044] 在一些实施例中，所述斜腔芯片结构还可以包括：

[0045] 吸收区B，所述吸收区也可以是SLD芯片的波导，通过光吸收而引起温度升高，进而提高了光信号的输出功率。

[0046] 本申请实施例中，第一阈值可根据需要灵活设置，所述第一阈值的值以较小为好，即所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差越小，光信号经斜腔芯片结构之后的偏振度越小。举例来说，若设置第一阈值为0.03mW，则所述第一子光信号的出射功率与所述第二子光信号的出射功率之差小于0.03mW时，能够实现光信号经斜腔芯片结构之后的偏振度为一较小值，如偏振度小于或等于0.5dB。本申请实施例通过对斜腔芯片结构镀制介质膜，从光信号的TE模和TM模的维度实现光信号经斜腔芯片结构的偏振度。

[0047] 图1为斜腔芯片结构的俯视图，图2为本申请实施例中与图1对应的斜腔芯片结构的侧视图；从所述发光区A的出射端面出射的光信号包括TE模和TM模；其中，TE模的振动方向平行于有源层的方向，TM模的振动方向垂直于有源层的方向，可以用“⊙”表示。

[0048] 下面以SLD芯片的衬底为InP，SLD芯片发出的光信号的波长为1310nm为例，对本申请实施例进行详细说明。

[0049] 实施例一

[0050] 在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之前，测量TE模的出射功率PTE1，以及TM模的出射功率PTM1，如图3所示，PTE1＜PTM1。在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之前，光信号的偏振度曲线为如图4所示的PER1，由图4可知，PER1的值在‑1.5dB至‑0.4dB左右，偏振度的值较高。

[0051] 在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜时，所述介质膜可以包括性能稳定的SiO2作为低折射率材料、Si作为高折射率材料、以及光学性质稳定与SLD芯片具有良好的附着力的Al2O3。其中，Al2O3的折射率n1＝1.56～1.63，Si的折射率n2＝3.51～3.56，SiO2的折射率n3＝1.4～1.46。

[0052] 本申请实施例中，介质膜的折射率可以采用中‑高‑低(Al2O3‑Si‑SiO2)的方式构成三层减反膜系。再利用光学薄膜设计软件设计了三层减反膜系，由软件模拟计算出所对应的多层AR膜的厚度和占比。在软件上，可选用InP作为衬底材料，输入其入射角θ、中心波长区间1310±60nm、镀膜层数3、每层材料的折射率n1、n2、n3，针对不同波长计算出RTM1及RTE1的反射率曲线，如图5所示。从图5的曲线可以看出，反射率R<0.1％的波长宽度达到了150nm左右。本申请随机计算了30条曲线，在1310nm处的减反效果均能达到0.1％以下，因此，此减反膜系的各层厚度具有较大的容差，降低了对极高控制精度的要求。

[0053] 本申请实施例中，所述介质膜各膜层的厚度分别可以是：Al2O3的厚度为71～79nm，Si的厚度为120～127nm，SiO2的厚度为356～365nm。

[0054] 实施例二

[0055] 在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之前，测量TE模的出射功率PTE3，以及TM模的出射功率PTM3，如图6所示，PTE3

[0056] 在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜时，所述介质膜可以包括Al2O3、TiOX、SiO2。其中，Al2O3的折射率n1＝1.56～1.63，TiOX的折射率n2＝2.27～2.33，SiO2的折射率n3＝1.4～1.45。

[0057] 本申请实施例中，介质膜的折射率可以采用中‑高‑低(Al2O3‑TiOX‑SiO2)的方式构成三层减反膜系。再利用光学薄膜设计软件模拟计算出所对应的多层AR膜的厚度和占比。在软件上，可选用InP作为衬底材料，输入其入射角θ、中心波长区间1310±60nm、镀膜层数
3、每层材料的折射率n1、n2、n3，针对不同波长计算出RTM3及RTE4的反射率曲线，如图8所示。
从图8的曲线可以看出，反射率R<0.1％的波长宽度达到了120nm左右。本申请随机计算了30条曲线，在1310nm处的减反效果均能达到0.1％以下，因此，此减反膜系的各层厚度具有较大的容差，降低了对极高控制精度的要求。

[0058] 本申请实施例中，所述介质膜各膜层的厚度分别可以是：Al2O3的厚度为21～30nm，TiOX的厚度为67～77nm，SiO2的厚度为147～156nm。

[0059] 上述实施例仅以Al2O3‑S‑SiO2以及Al2O3‑TiOX‑SiO2作为示例，在具体实施时，还可以选用SiO、Si3N4、ZrO2、Y2O3等任意两种或两种以上的源材料制作介质膜。

[0060] 在一些实施例中，在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜时，可以采用电子束蒸发真空镀膜机。具体的，在真空中，将蒸发源材料放入水冷坩埚中，利用电子束轰击源材料，使源材料中原子以及分子能量增大形成气体，从而实现蒸发沉积成减反膜。

[0061] 本申请实施例一和实施例二中，所述介质膜对TE模的第一反射率为RTE1及RTE2，所述介质膜对TM模的第一反射率为RTM1和RTM2，且RTE1

[0062] 本申请实施例一和实施例二中，在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之后，测量TE模的出射功率PTE2，以及TM模的出射功率PTM2，如图3所示，PTE2与PTM2的大小基本相等；测量TE模的出射功率PTE4，以及TM模的出射功率PTM4，如图6所示，PTE4与PTM4的大小基本相等；
因此，TE模和TM模的内增益也应基本相等。如此，可以证明本申请实施例在发光区的出射端面所镀的介质膜对TE模与TM模有不同的反射率，改善了SLD芯片的偏振度。

[0063] 在对SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之后，光信号的偏振度曲线，如图4所示的PER2以及如图7所示的PER4，由图4和图7可知，PER2的值在‑0.5dB至0.5dB左右，PER4的值在‑0.4dB至0.2dB左右；SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之后光信号的偏振度，低于SLD芯片的发光区的出射端面镀介质膜之前光信号的偏振度。

[0064] 需要说明的是，本申请实施例中适用于所有发光区光波导与出射端面存在一定夹角的斜腔结构的半导体超辐射发光二极管；适用于多种材料体系，如InGaAsP/InP系材料、AlGaInAs/InP系材料及AlGaAs/GaAs等材料体系；适用于各种平面有源层掩埋异质结构，如腐蚀台面掩埋结构、双沟平面掩埋结构、条形掩埋异质结等；适用于各种非平面有源层掩埋异质结构，如V槽衬底或沟道衬底掩埋结构、台面衬底掩埋异质结构、掩埋新月型结构等。除此之外，本发明也适用于半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)。

[0065] 需要说明的是，上述仅以光信号的中心波长为1310nm、介质层的源材料为Al2O3、Si、SiO2和Al2O3、TiOX、SiO2为例进行说明，在实际应用中，本申请适用于各种波长，以及除Al2O3、Si、TiOX、SiO2以外的其他源材料构成的介质膜，且对构成介质膜的源材料的排序以及各源材料的厚度不做限定，只要在斜腔芯片结构上镀两种以上的源材料构成的介质层，实现发光区的出射端面对TE模和TM模的反射率不同的方案均在本申请的保护范围之内。

[0066] 本申请实施例中，由于斜腔芯片结构内光波导的传播方向与斜腔芯片结构的发光区的出射端面不垂直，即光信号相对于发光区的出射端面的入射角不等于零；因此，通过对发光区的出射端面镀介质膜，实现发光区的出射端面对TE模和TM模的反射率不同，即RTE≠RTM，实现发光区的出射端面对TE模和TM模的出射光功率影响不一样，进而TE模和TM模经发光区的出射端面初设后的光功率基本相等，降低光信号的偏振度。

[0067] 本申请实施例中斜腔芯片结构的制作工艺简单易实现，所使用的源材料价格适中，极大地节约了人力和物力成本。

[0068] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。