多種激光器技術(shù)分類介紹

計(jì)算和數(shù)據(jù)通信組織一直想要發(fā)掘數(shù)據(jù)速度和計(jì)算能力方面的最新成果。許多業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，芯片至芯片和片上光子技術(shù)將成為影響未來計(jì)算的最重要技術(shù)。硅光電技術(shù)競(jìng)賽正在如火如荼地進(jìn)行中，硬件制造商們很想分享這20多億美元的大蛋糕。雖然支持片上激光器的應(yīng)用已經(jīng)存在好多年了，但與制造、測(cè)試和校準(zhǔn)有關(guān)的高額成本阻礙了硅光子應(yīng)用的廣泛普及。

本文將介紹和比較在硅光電子領(lǐng)域中使用的多種激光器技術(shù)，包括解理面、混合硅激光器和蝕刻面技術(shù)。我們還會(huì)深入探討用于各種技術(shù)的測(cè)試方法，研究測(cè)試如何在推動(dòng)成本下降和促進(jìn)硅光子技術(shù)廣泛普及的過程中發(fā)揮重要作用。

解理面激光器（Cleaved Facet Lasers）

圖1顯示了如何將基于磷化銦（InP）的半導(dǎo)體晶圓切割成晶條形成用于邊發(fā)射激光器的反光鏡。這些晶條一個(gè)接一個(gè)垂直堆疊在一起，然后在解理面上施加鏡子涂覆層。在解理過程中將形成大量晶條，每根晶條上的每個(gè)激光器都需要通過測(cè)試來確定其功能。然而，晶條測(cè)試要求用手或機(jī)器操作這些易碎的半導(dǎo)體晶條，而且一般一次測(cè)一條。因此這個(gè)過程相當(dāng)緩慢和昂貴，而且僅限于室溫測(cè)試，以免測(cè)試人員測(cè)一根晶條花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間。在測(cè)試過程中操作易碎的晶條必須非常小心和輕柔，否則晶條上的激光器很容易損壞。

圖1：解理面和蝕刻面激光器的制造步驟表明它們使用不同的工藝。

在通過晶條測(cè)試后，晶條被繼續(xù)切割為單個(gè)獨(dú)立的激光器芯片，然后通過有源方式與硅光子芯片進(jìn)行校準(zhǔn)。這個(gè)過程也很昂貴，因?yàn)樵谛?zhǔn)過程中激光器芯片必須加電和移動(dòng)，直到有足夠的光耦合進(jìn)硅光子波導(dǎo)。這時(shí)，激光器芯片的位置需要永久地鎖定在硅光子芯片上。由于對(duì)晶條上的激光器只做了室溫測(cè)試，我們?nèi)匀徊恢涝诠ぷ鞣秶鷥?nèi)的極限溫度時(shí)激光器是否具有可接受的性能。正因?yàn)檫@個(gè)未知條件，附著了（Cleaved Facet Lasers）的硅光子芯片還必須完成整個(gè)溫度范圍內(nèi)的測(cè)試，這又要求額外的資源，并增加更多的成本。

一種可能性是做全溫度范圍的晶條級(jí)測(cè)試，并產(chǎn)生具有已知合格裸片（KGD）的激光器芯片，但這種做法不僅特別昂貴，而且非常緩慢，因?yàn)榧す馄骶l只有少量器件，而且在測(cè)試過程中晶條需要放在冷和熱兩種極端溫度下。

混合硅激光器（Hybrid silicon lasers）

混合硅激光器，比如Intel公司為硅光子應(yīng)用開發(fā)和使用的產(chǎn)品，使用玻璃膠將InP晶圓和硅晶圓熔合在一起，而不是采用其它激光器技術(shù)中的“倒裝芯片”方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要校準(zhǔn)，因?yàn)閷nP附著到硅基之后的進(jìn)一步加工處理結(jié)果就是硅激光器。缺點(diǎn)是在與硅基集成之前沒辦法對(duì)InP晶圓進(jìn)行測(cè)試，因此如果給定硅光子芯片上的InP是壞的，芯片只能被丟棄。

因?yàn)镮nP晶圓是被熔合到硅晶圓上的，因此這種方法需要的實(shí)際InP面積一般較大，基本上等于硅光子芯片的尺寸。解理面和蝕刻面激光器在這方面就有優(yōu)勢(shì)了，因?yàn)橹挥屑す馇患捌浣壎ê副P需要使用昂貴的InP.然而，如果某種開發(fā)出來的工藝允許在硅光子晶圓上放置來自InP晶圓的小芯片，那么所用的InP數(shù)量將有顯著的減少。

蝕刻面激光器（Etched facet lasers）

如圖1所示，蝕刻面技術(shù)（EFT）允許通過高精度光刻技術(shù)而不是不精確的、具有隨意性的機(jī)械切割方法確定晶面。光刻允許腔體尺寸和面的位置確定在0.1μm之內(nèi)。其結(jié)果就是前所未有的一致性和良率，并且能夠搭建出傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法搭建的結(jié)構(gòu)。采用蝕刻面技術(shù)后，形成的器件面具有特別高的精度，可以實(shí)現(xiàn)與硅基光子的低成本、無(wú)源校準(zhǔn)。有源校準(zhǔn)的精度只需自動(dòng)化工藝的成本就能達(dá)到。

因?yàn)榧す馄骺梢栽诰A完好無(wú)損的條件下完整形成（而解理面激光器的形成過程中必須切割晶圓），因此還可以執(zhí)行晶圓級(jí)激光器測(cè)試。假定2英寸或3英寸晶圓上有幾千或幾萬(wàn)個(gè)激光器，那么根據(jù)硅光子應(yīng)用要求，在晶圓級(jí)測(cè)試過程中將晶圓放至極端溫度下進(jìn)行測(cè)試將極具成本效益。

另外一個(gè)好處是，蝕刻面激光器可以在分成單個(gè)芯片之前進(jìn)行完整的制造和自動(dòng)化測(cè)試。舉例來說，使用針對(duì)蝕刻面激光器的室內(nèi)定制測(cè)試設(shè)備，BinOptics能夠?yàn)橐呀?jīng)合格的硅光子應(yīng)用提供基于InP的激光器。在硅光子應(yīng)用要求的整個(gè)溫度范圍內(nèi)，晶圓上的所有激光器都用自動(dòng)化、高吞吐量的測(cè)試操作進(jìn)行測(cè)試。

圖2顯示了用于測(cè)試蝕刻面激光器的自動(dòng)化晶圓級(jí)測(cè)試站工作原理，圖中顯示了上面放有蝕刻面激光器的一個(gè)晶圓工作臺(tái)。在遠(yuǎn)離晶圓臺(tái)的位置有一面大的透鏡，用于在晶圓上測(cè)試期間捕獲蝕刻面激光器發(fā)出的激光。在測(cè)試過程中，晶圓臺(tái)會(huì)在x-y平面中移動(dòng)晶圓，使待測(cè)器件和透鏡的位置保持不變。探針臂將探針帶到晶圓表面，對(duì)激光器進(jìn)行各種測(cè)試。

圖2：透鏡捕獲來自待測(cè)蝕刻面激光器的光。晶圓探針對(duì)仍然位于晶圓之上的激光器進(jìn)行光-電流-電壓測(cè)試。

光-電流-電壓（LIV）測(cè)試對(duì)所有激光器類型都是通用的。激光先由透鏡收集，然后導(dǎo)向檢測(cè)器進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量。對(duì)于邊發(fā)射型蝕刻面激光器來說，一般透鏡只收集一部分激光，因此實(shí)際光功率還要通過校準(zhǔn)因素確定?？梢栽诓煌娏骱蜏囟认逻M(jìn)行全譜測(cè)試，確保器件在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)具有所期望的性能。在這個(gè)案例中，來自透鏡的激光被導(dǎo)向光譜分析儀。最后，針對(duì)低溫情況，測(cè)試裝置中還要增加一個(gè)透明的小室，并在這個(gè)小室中充滿氮?dú)?，防止低溫條件下在晶圓上形成冷凝水。

未來就在眼前

發(fā)揮出硅光子應(yīng)用應(yīng)有的巨大潛力有多種不同的方法，它們都有各自的好處和挑戰(zhàn)，取決于具體的使用。最終只有設(shè)法克服成本、良率和性能障礙才能在這個(gè)新興行業(yè)中取得成功。提供已知合格芯片的激光器的能力將成為公司脫穎而出的一個(gè)重要因素。