多種激光器技術(shù)分類介紹

計算和數(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)將成為影響未來計算的最重要技術(shù)。硅光電技術(shù)競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)。我們還會深入探討用于各種技術(shù)的測試方法，研究測試如何在推動成本下降和促進(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。這些晶條一個接一個垂直堆疊在一起，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，每根晶條上的每個激光器都需要通過測試來確定其功能。然而，晶條測試要求用手或機(jī)器操作這些易碎的半導(dǎo)體晶條，而且一般一次測一條。因此這個過程相當(dāng)緩慢和昂貴，而且僅限于室溫測試，以免測試人員測一根晶條花費太長的時間。在測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。

在通過晶條測試后，晶條被繼續(xù)切割為單個獨立的激光器芯片，然后通過有源方式與硅光子芯片進(jìn)行校準(zhǔn)。這個過程也很昂貴，因為在校準(zhǔn)過程中激光器芯片必須加電和移動，直到有足夠的光耦合進(jìn)硅光子波導(dǎo)。這時，激光器芯片的位置需要永久地鎖定在硅光子芯片上。由于對晶條上的激光器只做了室溫測試，我們?nèi)匀徊恢涝诠ぷ鞣秶鷥?nèi)的極限溫度時激光器是否具有可接受的性能。正因為這個未知條件，附著了（Cleaved Facet Lasers）的硅光子芯片還必須完成整個溫度范圍內(nèi)的測試，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測試，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，因為激光器晶條只有少量器件，而且在測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)點是不需要校準(zhǔn)，因為將InP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。缺點是在與硅基集成之前沒辦法對InP晶圓進(jìn)行測試，因此如果給定硅光子芯片上的InP是壞的，芯片只能被丟棄。

因為InP晶圓是被熔合到硅晶圓上的，因此這種方法需要的實際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)勢了，因為只有激光腔及其綁定焊盤需要使用昂貴的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，可以實現(xiàn)與硅基光子的低成本、無源校準(zhǔn)。有源校準(zhǔn)的精度只需自動化工藝的成本就能達(dá)到。

因為激光器可以在晶圓完好無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)行晶圓級激光器測試。假定2英寸或3英寸晶圓上有幾千或幾萬個激光器，那么根據(jù)硅光子應(yīng)用要求，在晶圓級測試過程中將晶圓放至極端溫度下進(jìn)行測試將極具成本效益。

另外一個好處是，蝕刻面激光器可以在分成單個芯片之前進(jìn)行完整的制造和自動化測試。舉例來說，使用針對蝕刻面激光器的室內(nèi)定制測試設(shè)備，BinOptics能夠為已經(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)用要求的整個溫度范圍內(nèi)，晶圓上的所有激光器都用自動化、高吞吐量的測試操作進(jìn)行測試。

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

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

光-電流-電壓（LIV）測試對所有激光器類型都是通用的。激光先由透鏡收集，然后導(dǎo)向檢測器進(jìn)行光強(qiáng)測量。對于邊發(fā)射型蝕刻面激光器來說，一般透鏡只收集一部分激光，因此實際光功率還要通過校準(zhǔn)因素確定。可以在不同電流和溫度下進(jìn)行全譜測試，確保器件在整個工作溫度范圍內(nèi)具有所期望的性能。在這個案例中，來自透鏡的激光被導(dǎo)向光譜分析儀。最后，針對低溫情況，測試裝置中還要增加一個透明的小室，并在這個小室中充滿氮氣，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重要因素。