ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ПОЛОСОЙ МОДУЛЯЦИИ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ
SEMICONDUCTOR LASER EMITTER WITH BAND MODULATION IN MICROWAVE RANGE

Настоящее изобретение относится к электронной технике и связано с принципиальным элементом волоконно-оптической системы передачи (ВОСП): полупроводниковым лазерным излучателем (ПЛИ), в частности, с ПЛИ для локальных ВОСП телекоммуникационных сетей абонентского доступа, а также для перспективных комбинированных систем волоконно-эфирной структуры телекоммуникационного и радиолокационного назначений, типичными представителями которых являются развивающиеся распределительные сети типа RoF (Radio-over-Fiber) и активные фазированные антенные решетки с оптическим управлением.
о
Важнейшая особенность ПЛИ для вышеперечисленных применений заключается в необходимости одновременного увеличения как средней выходной оптической мощности Р (для увеличения числа точек распределения), так и быстродействия или полосы модуляции ΔF (для увеличения пропускной способности линии). При этом на первый план выступает такой целевой показатель, как произведение PoΔF.
Как известно, оптическая мощность лазерного излучателя с технологической точки зрения в основном определяется структурой его лазерного кристалла. Основываясь на критерии ее увеличения до десятков милливатт при достаточном быстродействии, наиболее подходящими лазерными гетероструктурами считаются зарощенная полуизолятором объемная структура с серповидной активной областью (Buried Crescent, ВС Laser) и зарощенная полуизолятором квантоворазмерная структура (Multiple Quantum Well, MQW). Основной задачей в ходе технологической разработки данных лазерных гетероструктур является оптимизация по критерию PoΔF их геометрических, электрофизических "и оптических параметров (материального состава, концентрации примесей, материала и геометрии полуизолятора, толщины слоев, коэффициентов оптического усиления и ограничения, числа квантовых ям, ширины V-канавки, длины и ширины кристалла и т.д.), которые, как правило, оказывают взаимно противоположное влияние.
Общей конструктивной особенностью лазерных кристаллов вышеуказанных и других известных лазерных структур [см., например: кн. «Волоконно-оптическая связь: приборы, схемы и системы» под ред. М. Дж. Хауэса и Д.В.Моргана, пер. с анг., М., Радио и связь, 1982, §2.4] является наличие проводящей полупроводниковой подложки и противоположное (сверху и снизу) расположение электрических выводов анода и катода.
Также известно, что общее быстродействие наиболее широко распространенного лазерного излучателя с так называемой непосредственной модуляцией за счет управления током инжекции в равной степени определяется не только описанными выше технологическими особенностями структуры лазерного кристалла, но и его конструкцией, а также конструкцией узла электрического ввода лазерного модуля, в котором устанавливается данный излучатель. Причиной этому при полосе модуляции в СВЧ-диапазоне являются ограничивающие ее паразитные электрические эффекты, возникающие вследствие влияния конструкции электрических выводов лазерного кристалла и монтажных элементов, требуемых для его подсоединения к вводу модулирующего сигнала [см., например:
Полупроводниковые инжекциониые лазеры. Динамика, модуляция, спектры./ Под ред. У. Тсанга. / Пер с англ. Под ред. Л.А.Ривлина. - М.: Радио и связь. 1990, §2.5; Р.Хансперджер. Интегральная оптика. Теория и технология. / Пер. с англ. - М: Мир. 1985, §14.2].
Известен полупроводниковый лазерный излучатель, включающий в себя лазерный кристалл 9 (позиции соответствуют указанным в источнике информации) в виде диода с положительным и отрицательным выводами на обеих его сторонах и сформированный на теплопроводящей диэлектрической подложке (например, на основе кремния) с металлизированной контактной площадкой и изолированными основаниями 8 узел электрического ввода. В ходе монтажа лазерного излучателя один из выводов лазерного кристалла прикрепляется (обычно с помощью пайки) к вышеуказанной контактной площадке, а другой с помощью золотых проволочек либо ленты - к вышеуказанным изолированным основаниям. Модулирующий электрический сигнал подводится через выводы корпуса лазерного излучателя, которые соединены с выводами лазерного кристалла с помощью проволочек 10, 11 (кн. «Волоконно-оптическая связь: приборы, схемы и системы» под ред. М.Дж. Хауэса и Д.В. Моргана, пер. с анг., М: Радио и связь, 1982. стр.79, рис.2.36, б). Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
Известно, что для расчета частотно-модуляционной характеристики лазерного излучателя широко используется эквивалентная схема лазерного кристалла в виде параллельной RLC-цепи, в которой типичная величина индуктивности составляет единицы пикогенри (Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры./ Под ред. У. Тсанга. /Пер с англ. Под ред. Л.А. Ривлина - М.: Радио и связь. 1990, §2.5). При этом полоса модуляции лазерного излучателя прототипа, в котором последовательно с лазерным кристаллом подсоединены проволочки 10, 11 индуктивностью в единицы наногенри (на 3 порядка выше), будет определяться исключительно длиной этих проволочек и составлять не более 1 ГГц.
Логичным решением задачи расширения полосы модуляции является использование в узле электрического ввода лазерного излучателя средств СВЧ-техники на основе коаксиальных СВЧ-соединителей, гибридных СВЧ интегральных схем и линий передачи с распределенными параметрами, в качестве которых с точки зрения улучшения технологических, массогабаритных и стоимостных характеристик повсеместно применяются микрополосковые линии (см. например, кн. Микроэлектронные устройства СВЧ. / Под ред. Г.И.Веселова - М.: Высшая школа, 1988. гл.1).
Для конкретного пояснения влияния паразитных элементов следует использовать фиг.1, 2, на которых иллюстративно показана традиционная конструкция узла электрического ввода лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне, повсеместно используемая в современных лазерных модулях СВЧ аналоговых и высокоскоростных цифровых ВОСП (для упрощения СВЧ-соединитель и цепь подачи постоянного смещения лазера не показаны). На чертеже введены следующие обозначения: 1 - СВЧ-подложка (материал соответствует прототипу), 2 - СВЧ микрополосковая линия (МПЛ) передачи, 3 - держатель лазерного кристалла, 4 - лазерный кристалл, 5 - соединительные проволочки, 6 - изолятор. Как следует из фиг.1, 2, модулирующий сигнал со спектральными составляющими в СВЧ-диапазоне подводится к лазерному кристаллу 4 при помощи сформированной на специальной СВЧ-подложке 1 разомкнутой на конце микрополосковой линии 2. Волновое сопротивление этой линии из соображений уменьшения потерь мощности передаваемого сигнала обычно выбирается равным 50 Ом. Лазерный кристалл 4, представляющий собой диод с электродами анода (положительный вывод) и катода (отрицательный вывод) на верхней и нижней (противоположных) сторонах кристалла, в целях обеспечения эффективного отвода тепла устанавливается на специальный медный держатель 3, обычно непосредственно подсоединяясь к его поверхности положительным либо отрицательным выводом при помощи пайки. Другой вывод кристалла 4 обычно с помощью микросварки подсоединяется к концу линии 2 посредством изолятора 6 и тонких золотых проволок 5. Отметим, что использование отдельного медного держателя не является принципиальным, в частности лазерный кристалл может быть установлен, как в прототипе, непосредственно на подложке на конце МПЛ.
Основным недостатком описанных выше конструкции лазерного кристалла и узла электрического ввода является, тем не менее, существенное ограничение полосы модуляции из-за влияния паразитных элементов ввода: индуктивности соединительных проволок 5 и емкости изолятора 6. В подтверждение этого на фиг.3 представлены результаты моделирования частотно-модуляционной характеристики лазерного излучателя с собственной полосой модуляции лазерного кристалла 11 ГГц (линия с квадратами). На том же графике линией с треугольниками показана частотно-модуляционная характеристика лазерного излучателя на основе того же лазерного кристалла при подсоединении его к микрополосковой линии посредством двух золотых проволок 5 диаметром 20 мкм и длиной по 1 мм (индуктивность примерно 0,8 нГн) и ситаллового изолятора 6 размерами 1,5×1,5 мм (емкость 0,2 пФ). Как следует из рисунка, использование такой конструкции ввода приводит примерно к двукратному сокращению полосы модуляции. Некоторое расширение полосы модуляции лазерного излучателя можно обеспечить за счет усложнения технологии его сборки, например, путем укорочения длины и применения двух параллельных соединительных проволок 5, а также исключения изолятора 6 (см. фиг.2), однако при собственной полосе модуляции лазерного кристалла порядка 10 ГГц ограничение все равно сохраняется на уровне не менее 30-40%. Дополнительным серьезным недостатком показанной на фиг.1 конструкции электрического ввода при требуемой полосе модуляции лазерного излучателя 10 и более ГГц являются ухудшающие частотно-модуляционную характеристику потери в микрополосковой линии 2, которые зависят от частоты и на частотах 10-15 ГГц могут достигать 3-4 дБ.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по исключению влияния паразитных электрических эффектов за счет исключения проволочных проводников как элементов связи.
При этом технический результат заключается в расширении полосы модуляции полупроводникового лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне за счет исключения влияния паразитных электрических эффектов от элементов ввода.
Указанный технический результат достигается тем, что в полупроводниковом лазерном излучателе с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне, включающем в себя лазерный кристалл в виде диода с положительным и отрицательными электрическими выводами и узел электрического ввода со сформированной на диэлектрической подложке СВЧ-линией передачи с распределенными параметрами, лазерный кристалл подсоединяется к заземляющему проводнику СВЧ-линии положительным либо отрицательным выводом, а другим выводом - к сигнальному проводнику той же СВЧ-линии, положительный и отрицательные выводы лазерного кристалла выполнены на одной стороне с расположением вывода одной полярности между выводами другой полярности, лазерный кристалл установлен методом «перевернутого монтажа» и при помощи пайки закреплен на конце сформированной на диэлектрической подложке копланарной полоской линии (КПЛ), которая расположена под лазерным кристаллом
так, чтобы совместить соответствующие выводы лазерного кристалла и сигнальный и заземляющие проводники КПЛ.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - первая традиционная конструкция узла электрического ввода лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне на основе микрополосковой линии;
фиг.2 - вторая традиционная конструкция узла электрического ввода лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне на основе микрополосковой линии;
фиг.3 - график, показывающий ограничение полосы модуляции из-за влияния паразитных элементов узла электрического ввода;
фиг.4 - предложенный лазерный излучатель с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне с конструкцией лазерного кристалла и узла электрического ввода, позволяющей устранить влияние паразитных элементов ввода, первый пример исполнения;
фиг.5 - лазерный излучатель с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне с узлом электрического ввода, позволяющим устранить влияние паразитных элементов ввода, второй пример исполнения.
Фиг.6 иллюстрирует способ формирования конструкции лазерного кристалла ВС-структуры с односторонним расположением электрических выводов за счет дополнительной диффузии.
Фиг.7 иллюстрирует способ формирования конструкции лазерного кристалла ВС-структуры с односторонним расположением электрических выводов за счет дополнительного травления.
Суть предложенного изобретения, заключающегося в применении конструкции лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне и конструкции узла электрического ввода, позволяющей устранить вышеуказанные недостатки, поясняется на фиг.4, где введены следующие обозначения: 1 - СВЧ-подложка, 7 - КПЛ, 4 - лазерный кристалл. Как следует из фиг.4 и 5, лазерный кристалл 4 устанавливается так называемым методом «перевернутого монтажа» при помощи пайки на конце КПЛ, имеющей, как известно, меньшие потери в диапазоне 10 и более ГГц по сравнению с МПЛ. Кроме того, для обеспечения возможности подсоединения лазерного кристалла 4 к КПЛ без применения проволочных выводов в его конструкции выводы анода и катода выполняются на одной стороне. Варианты технологической реализации лазерного кристалла с односторонним расположением выводов на примере гетероструктуры ВС-типа с высокой выходной оптической мощностью, сформированной на полупроводниковой подложке p-типа, показаны на фиг.6 и 7. Как следует из рисунка, в структурах площадка катода за счет заращивания полуизолятором на основе ZnSe ограничивается до ширины, примерно соответствующей ширине центрального проводника КПЛ, а расположенные по бокам поперечного сечения лазерного кристалла площадки анодов формируются за счет дополнительной диффузии (фиг.6, поз.8) либо стравливания на глубину мезы (фиг.7, поз.9), составляющей порядка 7-8 мкм.
При таком исполнении полупроводникового лазерного излучателя за счет устранения из конструкции узла электрического ввода соединительных проводников для подключения выводов лазерного кристалла к элементам рисунка СВЧ-подложки можно исключить появление паразитных электрических эффектов, прежде всего обусловленных влиянием рассмотренных выше монтажных емкости и индуктивности.
В заявленном изобретении вводится конструкция лазерного кристалла, в котором электрические выводы (анод и катод) выведены на одну сторону, то есть на сторону монтажа кристалла на СВЧ-подложку. При этом, по сути, эти выводы представляют собой контактные площадки с уменьшенной взаимной емкостью и не содержат проволочных проводников. Такое исполнение контактов позволяет лазерный кристалл непосредственно прикреплять к соответствующим полосковым проводникам на копланарной СВЧ-линии передачи, исключая паразитные индуктивности и емкости. При этом также решается задача сокращения габаритов устройства в целом и придание ему компактности. В целом изобретение решает задачу исключения таких элементов в полупроводником лазере, которые направлены непосредственно на решение задач присоединения и соединения для образования замкнутой электрической цепи, но не имеют в такой системе полезной функциональной нагрузки.
Настоящее изобретение позволяет исключить из структуры узла электрического ввода проволочные элементы как элементы передачи, являющиеся причиной появления паразитных эффектов, и тем самым улучшить частотно-модуляционную характеристику и расширить полосу модуляции полупроводникового лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ-диапазоне. Изобретение промышленно применимо для волоконно-оптических систем передачи и телекоммуникационного и радиолокационного назначений и позволяет увеличить такой важный целевой показатель, как произведение средней оптической мощности на полосу модуляции.