CN107113061B - 具有集成加热区域的半导体激光二极管 - Google Patents

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Abstract

具有集成加热的半导体激光二极管通常包括集成在同一半导体结构或芯片中的激光区域和加热区域。激光区域和加热区域分别包括形成半导体结构的半导体层的第一和第二部分，并且分别包括由半导体层形成的有源区的第一和第二部分。单独的激光电极和加热器电极电连接到相应的激光区域和加热区域，用以使用驱动电流驱动相应的激光区域和加热区域。因此，加热区域可独立于激光区域受到驱动，并且热可通过半导体层从加热区域传导到激光区域，从而能够更有效地控制温度。

Description

具有集成加热区域的半导体激光二极管
技术领域
本发明关于涉及用于光发射机的半导体激光器装置，更具体地，涉及具有用于多通道光发射次模块(TOSA)的集成加热区域的半导体激光二极管。
背景技术
光纤通信网络可通过使用波分复用(WDM)多路复用在不同波长上的不同光信号来增加光纤上承载的信息量。在WDM无源光网络(PON)中，举例而言，主干光纤将光信号在多个信道波长上传送到光分支点并从光分支点携带光信号，并且分支点通过将各种不同波长的信号引导到单独订户提供简单的路由功能。在这种情况下，每个用户可被分配一个或多个在其上发送和/或接收数据的信道波长。
为了在多个信道波长上发送和接收光信号，WDM-PON中的一光线路终端(OLT)可包括多信道光发射次模块(TOSA)以及多信道光接收次模块(ROSA)。光发射次模块(TOSA)的一个示例包括组合多个信道波长的多个光信号的复用激光器阵列。为了提供不同的通道波长，可调谐激光器可使用于多通道光发射次模块(TOSA)中，并且由可调谐激光器发射的波长随温度变化而变化。WDM-PON中期望的波长精度或准确度通常取决于信道波长的数量和间隔，并且可通过控制温度在光发射次模块(TOSA)中进行控制。例如，在100G密集波分复用(DWDM)***中，温度可能需要控制在±0.5℃以内，以保持±0.05nm的波长精度，并且温度范围可能需要大于4℃以提供期望的激光二极管的波长产生。
为了控制可调谐激光器的温度，一个或多个电阻加热器可位于可调谐激光器附近，例如位于与激光器相同的子安装座上。然而，这种电阻加热器是额外的电子部件，电阻加热器占据额外的空间、增加成本，并且在将热传递到激光器方面可能是低效的。这种光线路终端(OLT)收发器模块的一个挑战是在相对较小的空间和相对低的功率预算中提供激光器阵列的适当的温度控制。
发明内容
本发明提供一种具有集成加热的半导体激光二极管，半导体激光二极管包括：多个半导体层，形成至少一个有源区；一激光区域，包括该多个半导体层的一第一部分和该有源区，其中激光区域用以发射激光；一激光电极，位于该多个半导体层的该第一部分的外表面上并且电耦合到该多个半导体层的第一部分中的该激光区域；一加热区域，包括该多个半导体层的一第二部分和该有源区，其中加热区域用以产生热量，并且其中加热区域热耦合到激光区域，使得由加热区域产生的热量传导到激光区域；一加热器电极，位于该多个半导体层的第二部分的外表面上并且电耦合到该多个半导体层的第二部分中的加热区域，其中加热器电极与激光电极分离；以及其中激光区域中的有源区的该第一部分与加热区域中的有源区的该第二部分隔离。
本发明还提供一种多通道光发射次模块，包括：半导体激光二极管的阵列，用以产生与多个光通道相关联的激光，半导体激光二极管中的至少一个包括：多个半导体层，形成至少一个有源区；一激光区域，包括该多个半导体层的一第一部分和有源区，其中激光区域用以发射激光；一激光电极，位于该多个半导体层的第一部分的外表面上并且电耦合到该多个半导体层的第一部分中的激光区域；一加热区域，包括该多个半导体层的一第二部分和有源区，其中加热区域用以产生热量，并且其中加热区域热耦合到激光区域，使得由加热区域产生的热量传导到激光区域；以及一加热器电极，位于该多个半导体层的第二部分的外表面上并且电耦合到该多个半导体层的第二部分中的加热区域，其中加热器电极与激光电极分离，一光多路复用器，光耦合到半导体激光二极管的阵列，光多路复用器用以组合不同的相应信道波长的激光；以及驱动电路，电耦合到激光电极和加热器电极，驱动电路用以将一激光驱动信号提供给激光区域并且将一加热器驱动信号提供给加热区域。
本发明还提供了一种半导体激光二极管的制造方法，这种制造方法包括：提供形成一有源区的多个半导体层；在该多个半导体层的一第一部分中形成一激光区域和在该多个半导体层的一第二部分中形成一加热区域，激光区域包括有源区的一第一部分并且加热区域包括有源区的一第二部分；在第一部分中的该多个半导体层的一外表面上沉积一激光电极，其中激光电极电耦合到该多个半导体层的该第一部分中的激光区域；在第二部分中的该多个半导体层的一外表面上沉积一加热器电极，其中加热器电极电耦合到该多个半导体层的第二部分中的加热区域；以及在与激光电极和加热器电极相对的该多个半导体层的一外表面上沉积至少一个底部电极。
以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。
附图说明
图1是根据本发明实施例的包括具有集成加热的至少一个半导体激光二极管的波分复用(WDM)无源光网络(PON)的示意图；
图2是根据本发明实施例的具有集成加热的半导体激光二极管的示意图；
图3A是具有集成加热的半导体激光二极管的一个实施例的俯视图；
图3B是沿图3A的B-B截取的半导体激光二极管的横截面图；以及
图4是根据本发明实施例的包括具有集成加热的半导体激光二极管阵列的多通道光发射次模块(TOSA)的示意图。
具体实施方式
根据本发明的具有集成加热的半导体激光二极管通常包括集成在同一半导体结构或芯片中的一激光区域和一加热区域。激光区域和加热区域分别包括形成半导体结构的半导体层的第一及第二部分，并且分别包括由半导体层形成的有源区(active region)的第一及第二部分。单独的激光器和加热器电极电连接到相应的激光和加热区域，以使用驱动电流驱动相应的激光和加热区域。因此，加热区域可独立于激光区域受到驱动，并且热可以通过半导体层从加热区域传导到激光区域，从而能够更有效地控制温度。
具有集成加热的半导体激光器可使用在温度控制的多通道光发射次模块(TOSA)中，其中多通道光发射次模块(TOSA)可以使用在多通道光收发器中。温度控制的多通道光发射次模块(TOSA)通常包括一激光器阵列，激光器阵列光学耦合到例如阵列波导光栅(AWG)的一光多路复用器，以组合在不同信道波长的多个光信号。光收发器可以使用在波分复用(WDM)光学***中，例如使用在波分复用(WDM)无源光网络(PON)中的一光线路终端(OLT)中。虽然一些示例实施例包括多通道光发射次模块(TOSA)，但是在不脱离本文所述的示例性实施例的情况下，具有集成加热的半导体激光器件也可用作一分立装置或其它类型的光发射器。
如本文所使用的，“信道波长”是指与光信道相关联的波长，并且每个信道波长可包括围绕一中心波长的指定波长带。在一个示例中，信道波长可以由例如ITU-T密集波分复用(DWDM)网格的国际电信(ITU)标准来定义。如本文所使用的，“调谐到通道波长”是指调节激光输出，以使得发射的激光包括通道波长。本文所用的术语“耦合”是指任何连接、耦合、链接等，“光耦合”是指将光线从一个元件赋予另一元件的耦合。这种“耦合”设备不一定直接相互连接，并且可以由可操纵或修改这些信号的中间组件或设备分隔开。如本文所用，“热耦合”是指两个部件之间的直接或间接连接或接触，导致热量从一个部件传导到另一个部件。
请参考图1，包括一个或多个多通道光收发器102a、102b的WDM-PON 100可包括与根据本发明实施例的具有集成加热的一个或多个半导体激光二极管的一多路复用激光器阵列。WDM-PON 100使用一波分复用(WDM)***提供点对多点光网络架构。根据WDM-PON 100的一个实施例，至少一个光线路终端(OLT)110可经由光纤、波导和/或路径114、115-1至115-n耦合到多个光网络终端(ONT)或光网络单元(ONU)112-1至112-n。尽管光线路终端(OLT)110在所示实施例中包括两个多信道光收发器102a、102b，但是光线路终端(OLT)110可包括一个或多个多信道光收发器。
光线路终端(OLT)110可位于WDM-PON 100的中心局，并且光网络单元(ONU)112-1至112-n可以位于家庭、企业或其他类型的用户位置或场所中。一分支点113(例如，远程节点)将一主干光路114耦合到单独的光路115-1至115-n到各个用户位置的光网络单元(ONU)112-1至112-n。分支点113可包括一个或多个无源耦合装置，例如分离器或光多路复用器/解复用器。在一个示例中，光网络单元(ONU)112-1至112-n可以位于相聚光线路终端(OLT)110大约20km或更小的位置。
WDM-PON 100还可包括耦合在分支点113和不同的地点或处所的光网络单元(ONU)112-1至112-n之间的附加节点或网络设备，例如以太网无源光网络(PON)(EPON)或千兆无源光网络(PON)(GPON)节点或设备。WDM-PON 100的一个应用是提供能够跨公共平台传送语音、数据和/或视频服务的光纤到户(FTTH)或光纤到驻地(FTTP)。在这种应用中，中心局可以耦合到提供语音、数据和/或视频的一个或多个源或网络。
在WDM-PON 100中，不同的光网络单元(ONU)112-1至112-n可分配有不同的信道波长用于发送和接收光信号。在一个实施例中，WDM-PON 100可使用不同的波长带用以传送相对于光线路终端(OLT)110的下行和上行光信号，以避免在同一光纤上的接收信号和反向反射的发射信号之间的干扰。举例而言，L波段(例如，大约1565至1625nm)可用于来自光线路终端(OLT)110的下行传输，并且C波段(例如，大约1530至1565nm)可用于通向光线路终端(OLT)110的上行传输。上行和/或下行信道波长通常可对应于国际电信(ITU)网格。在一个示例中，上行波长可以与100GHz国际电信(ITU)网格对准，并且下行波长可以略微偏离100GHz国际电信(ITU)网格。
因此，光网络单元(ONU)112-1至112-n可以在L波段内和C波段内分配不同的信道波长。位于光网络单元(ONU)112-1至112-n内的收发器或接收器可配置为在L波段(例如，λL1、λL2、...λLn)中的至少一个信道波长上接收光信号。位于光网络单元(ONU)112-1至112-n内的收发器或发射器可配置为在C波段(例如λC1、λC2、...λCn)中的至少一个信道波长上发送光信号。其他波长和波长带也在本文所述的***和方法的范围内。
分支点113可以将来自光线路终端(OLT)110的下行波分复用(WDM)光信号(例如，λL1、λL2、...λLn)解复用，以将各个信道波长传输到相应的光网络单元(ONU)112-1至112-n。或者，分支点113可以将下行波分复用(WDM)光信号提供给每个光网络单元(ONU)112-1至112-n，并且每个光网络单元(ONU)112-1至112-n分离并处理分配的光信道波长。各个光信号可进行加密，用以防止对未分配给特定光网络单元(ONU)的光信道进行窃听。分支点113还将来自各个光网络单元(ONU)112-1至112-n的上行光信号组合或多路复用，以作为上行波分复用(WDM)光信号(例如，λL1、λL2、...λLn)通过主干光路114发送到光线路终端(OLT)110。
光线路终端(OLT)110可配置为在不同的信道波长(例如，λL1、λL2、...λLn)处产生多个光信号，并将光信号组合成在主干光纤或路径114上承载的下行波分复用(WDM)光信号。每个光线路终端(OLT)多信道光收发器102a、102b可包括用于在多个信道波长处生成和组合光信号的多信道光发射次模块(TOSA)120。光线路终端(OLT)110还可配置为从主干路径114上携带的上行波分复用(WDM)光信号分离不同的信道波长(例如，λL1、λL2、...λLn)的光信号并接收分离的光信号。因此，每一个光线路终端(OLT)多通道光收发器102a、102b可包括用于在多个信道波长处分离和接收光信号的多信道光接收次模块(ROSA)130。
多通道光发射次模块(TOSA)120的一个实施例包括一激光器阵列122，例如具有集成加热的一个或多个半导体激光二极管的阵列，其可由相应的射频(RF)数据信号(TX_D1至TX_Dm)调制以产生各自的光信号。激光器阵列122可使用包括外部调制和直接调制的各种调制技术来调制。光多路复用器124，例如阵列波导光栅(AWG)，将不同的各个下游信道波长(例如，λL1、λL2、...λLm)的光信号组合。沿着激光器阵列122的不同位置处的温度可受到监视和控制，以保持所需的波长精度或准确度。
在一些实施例中，激光器阵列122可包括可调谐激光器，可调谐激光器在各个通道波长处产生光信号。在其他实施例中，激光器阵列122可包括在信道波长带上产生光信号的激光器，并且可使用滤波和/或复用技术来产生所分配的信道波长。包括一激光阵列和阵列波导光栅(AWG)的光发射器的实例在美国专利申请序列号13/543,310(美国专利申请公开号：2013-0016971)、美国专利申请序列号13/357,130(美国专利申请公开号：2013-0016977)、以及美国专利申请序列号13/595,505(美国专利申请公开号_______________)中更详细地公开，所有这些全部内容通过引用并入本文。在所示的实施例中，光线路终端(OLT)110还包括多路复用器104，用于将来自多信道收发器102a中的多信道光发射次模块(TOSA)120的复用光信号与来自另一多信道收发器102b中的多信道光发射次模块(TOSA)的复用光信号多路复用，以产生下游聚合波分复用(WDM)光信号。
多通道光接收次模块(ROSA)130的一个实施例包括用于分离各个上行信道波长(例如，λL1、λL2、...λLn)的一解复用器132。光电检测器134，例如光电二极管的阵列，在相应的分离的上行信道波长处检测光信号，并且提供接收到的数据信号(RX_D1至RX_Dm)。在所示的实施例中，光线路终端(OLT)110还包括一解复用器106，用于将上行波分复用(WDM)光信号解复用为提供给每个收发器102a、102b中的相应多信道光接收次模块(ROSA)的第一和第二波分复用(WDM)光信号。光线路终端(OLT)110还包括在主干路径114和多路复用器104及解复用器106之间的一双工器108，以使得主干路径114携带上游和下游信道波长。收发器102a、102b还可包括用于发送和接收光信号的其它组件，例如激光驱动器、跨阻抗放大器(TIA)、以及控制接口。
在一个示例中，多通道光收发器102a、102b中的每一个可配置为发送和接收16个信道，使得WDM-PON 100支持32个下行L波段信道波长和32个上行C波段信道波长。如上所述，上行和下行信道波长可跨越100GHz国际电信(ITU)网格上的信道波长范围。每个收发器102a、102b例如可覆盖用于光发射次模块(TOSA)的L波段中的16个信道波长和用于光接收次模块(ROSA)的C波段中的16个信道波长，使得收发器102a、102b一起覆盖32个信道。因此，多路复用器104可以将来自一个收发器102a的16个信道与来自另一个收发器102b的16个信道组合，并且解复用器106可以将32信道波分复用(WDM)光信号分离成两个16信道波分复用(WDM)光信号。根据在WDM-PON 100中使用的多通道光收发器的一个实例，期望的波长精度或准确度为±0.05nm，期望的工作温度为-5至70℃之间，期望的功率消耗为大约16.0W。
参考图2，根据本发明实施例的具有集成加热的半导体激光二极管210，通常包括集成在同一半导体芯片或结构211中的激光区域220和加热区域230。激光区域220和加热区域230可包括形成半导体结构211的半导体层的第一及第二部分，如下面将更详细地描述。加热区域230因此通过半导体结构211热耦合到激光区域220，半导体结构211将热量从加热区域230传导到激光区域220。在所示的实施例中，激光区域220包括形成激光腔的后反射器222和出口反射器224，以使得激光通过出口反射器224离开。在其他的实施例中，出口反射器224可以与半导体激光二极管210分离，使得激光区域220形成一外腔激光。
激光区域220和加热区域230分别配置为接收一激光驱动信号和一加热器驱动信号。激光驱动信号将电流提供给激光区域220，使得激光区域220中的半导体层的有源区随着电流穿过半导体层而产生光线。激光驱动信号可根据已知的调制技术使用数据调制，以提供从激光区域220发射的一调制光信号。
加热器驱动信号将电流提供给加热区域230，使得当电流穿过半导体层时，加热区域230中的半导体层的有源区产生热量。加热区域230具有与激光区域220类似的半导体二极管结构，因此也可以产生光线，但是为了产生热量的目的而受到驱动。由加热区域230产生的热量与电功率(即V*I)有关，因此电流(I)可以变化以改变产生的热量。在一个示例中，加热器驱动信号可提供0至100mA范围内的电流以提供期望的热量输出。
由激光区域220发射的激光的波长响应于温度变化而变化。因此，加热区域230可例如与包括热电冷却器(TEC)的一温度控制***一起使用，以提供由激光区域220发射的激光的波长稳定和/或波长调谐。在一个实施例中，具有集成加热的半导体激光二极管210可用于温度控制多通道光发射次模块(TOSA)，例如在2013年2月22日提交的美国专利申请公开号2014/0241726中描述的类型，其共同拥有并通过引用完全并入本文。
请参考图3A及3B，更详细地描述了具有集成加热的半导体激光二极管310的一个实施例。通常，激光二极管310包括集成在同一半导体芯片或结构311中的激光区域320和加热区域330，例如激光区域320和加热区域330在半导体结构311相应的第一及第二部分311a、311b中。半导体结构311包括多个半导体层312、314，在半导体层312、314之间的接合处形成一有源区316(也称为增益区)。因此，激光区域320包括在半导体结构311的第一部分311a中的半导体层312、314以及有源区316，并且加热区域330包括在半导体结构311的第二部分311b中的半导体层312、314以及有源区316。
一激光电极326位于第一部分311a的外表面上并且电耦合到第一半导体部分311a中的激光区域320。一加热器电极336位于第二半导体部分311b的外表面上并且电耦合到第二半导体部分311b中的加热区域330。激光电极326和加热器电极336彼此分离和隔离，以分别向激光区域320和加热区域330提供驱动电流。至少一个底部电极340位于半导体结构311的相对侧上。电极326、336、340可使用例如金的导电金属形成为金属触点。
导线321、331可引线结合到相应的激光电极326和加热器电极336，以提供相应的激光驱动信号和加热器驱动信号的驱动电流。一个或多个导线341也可引线结合到底部电极340。尽管所示实施例表示出了电极326、336、340的特定尺寸和形状，但是电极326、336、340可具有其它尺寸和形状。代替覆盖半导体结构311的整个底部的共同底部电极340，半导体激光二极管310可以在对应于激光电极326和加热器电极336的底部上包括单独的电极。
电流提供到激光电极326和加热器电极336(例如，激光和加热器驱动信号)，使得电流分别从激光电极326和加热器电极336通过半导体层312、314流向底部电极340，如箭头2、3所示。在其他实施例中，驱动电流可提供到半导体激光二极管310的底部上的电极，使得电流从底部行进到顶部。
激光区域320响应于激光驱动信号产生和发射激光，例如，以产生本领域技术人员通常所知的调制光信号。在加热区域330中，在其中电流流经半导体层312、314和有源区316的位置产生热量。然后，热量从从第二部分311b通过半导体结构311传导到第一部分311a以加热激光区域320。由于半导体结构311相对较小并且半导体材料可具有良好的导热性，因此，与当使用激光二极管附近单独的电阻加热器时相比，热传递可更有效和更局部化。
半导体激光二极管310可包括一个或多个n型半导体层312和一个或多个p型半导体层314。有源区316通常形成在n型半导体层312(一个或多个)和p型半导体层314(一个或多个)的结的一侧，并且可包括形成一PIN结的n型半导体层312和p型半导体层314之间的一本征层。半导体结构311可在激光区域320中形成例如量子阱激光器或多量子阱激光器。半导体层312、314可包括半导体激光二极管中使用的任何半导体材料，包括但不限于磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、以及氮化镓(GaN)。特别地，磷化铟(InP)可用于在加热区域330和激光区域320之间提供良好的导热性。
在所示的实施例中，半导体结构311的激光区域320例如通过蚀刻激光区域320的每一侧上的沟槽315a、315b形成为台面，以隔离激光区域320中的有源区316。由此，在半导体结构311的另外未使用的部分中，加热区域330形成于沟槽315b的另一侧上。绝缘层318填充沟槽315a、315b，并且除了激光电极326和加热器电极336与p型半导体层314接触的位置之外覆盖p型半导体层的大部分。绝缘层318可包括例如二氧化硅(SiO2)的一绝缘材料。
在本实施例中，半导体结构311的第一部分311a中的p型半导体层314形成有脊317，脊317沿着激光区域320的长度延伸并延伸通过绝缘层318，使得激光电极326经由脊317电耦合到第一部分311a中的有源区316。在本实施例中，加热器电极336直接沉积在p型半导体层314上并被绝缘层318包围，使得加热电极336与激光电极326电隔离。
激光区域320可以是各种类型的半导体激光二极管的形式，包括但不限于：宽光谱法布里-珀罗(FP)激光器或窄光谱分布反馈(DFB)激光器或分布式布拉格反射器(DBR)激光器。在一些实施例中，激光区域可能够在波分复用(WDM)光学***(例如，C波段、L波段或两者)中发射信道波长的全波段光谱的波长范围，或者这种波分复用(WDM)光学***中信道波长的子集。激光区域320也可在一定波长范围内可调。
在所示的实施例中，激光区域320包括位于半导体结构311的第一部分311a中的半导体层312、314每一端上的一后反射器322和一出口反射器324。后反射器322可以是高反射性(例如，至少80％反射)，并且可包括例如高反射涂层、薄膜反射器、或光纤光栅。在一个实施例中，后反射器322可以是大约80-90％的反射率，以允许一部分光线通过背面以便由一监视器光电二极管(图未示)感测。出口反射器324可具有足以在相关联的通道波长获得激光的一部分反射率(例如，大约50％)。出口反射器324可包括芯片上的一反射涂层或芯片上或与芯片分离的一分布式布拉格反射器(DBR)。
在其他实施例中，可使用抗反射(AR)涂层来代替出口反射器324，并且可以使用外部出口反射器，使得激光区域320形成一外腔激光器。抗反射涂层可包括在激光区域320中的半导体结构311的另一个面上的高质量抗反射(AR)涂层，使得光线没有反射或者以尽可能小的反射率(例如，小于1％的反射)从激光区域320传出。
可使用已知的半导体制造技术形成半导体激光二极管310。半导体层312、314可沉积，然后受到蚀刻以形成沟槽315a、315b以及脊317。绝缘层318然后可沉积在半导体层316上以及沟槽315a、317b内。绝缘层318的一部分可以被蚀刻和去除，以暴露激光区域320(即，脊317)和加热区域330中的外部半导体层314。导电金属可以沉积在暴露的区域上以形成激光电极326和加热器电极336。导电金属也可沉积在外部半导体层312的底部上以形成底部电极340。导线321、331、341然后可分别引线结合到电极326、336、340。
图4表示出了包括具有集成加热的半导体激光二极管410-1至410-n的阵列的一多通道光发射次模块(TOSA)402的一个实施例。在本实施例中，半导体激光二极管410-1至410-n光学耦合到光多路复用器440，例如一阵列波导光栅(AWG)，其中阵列波导光栅(AWG)组合从每一个半导体激光二极管410-1至410-n输出的光信号以提供复用的光信号。在本实施例中，例如如上所述，半导体激光二极管410-1至410-n中的每一个包括激光区域420-1至420-n和加热区域430-1至430-n。在其他实施例中，多通道光发射次模块(TOSA)402还可包括其他类型的激光器。
半导体激光二极管410-1至410-n还电耦合到驱动电路450，驱动电路450配置为提供激光驱动信号和加热器驱动信号，以分别控制半导体激光二极管410-1至410-n中的激光器和加热。激光驱动信号可包括例如本领域技术人员已知的类型的调制电信号。加热器驱动信号可包括电信号，电信号的电流电平设定为在相应的加热区域430-1至430-n内提供期望的加热量。驱动电路450可响应于所监视的温度或其他反馈而产生加热器驱动信号，例如，用以提供来自加热区域(一个或多个)的足够的加热，以调节或稳定从相应的激光区域(一个或多个)发射的光线的波长。
在一个实施例中，具有集成加热的半导体激光二极管410-1至410-n可用于通过加热和/或冷却来控制每个半导体激光二极管410-1至410-n的波长的一温度控制***。温度控制***可包括，例如热耦合到半导体激光二极管410-1至410-n和/或光多路复用器440的一热电冷却器(TEC)460。这种***的一个示例在2013年2月22日提交的美国专利申请公开号2204/0241726中进行了描述，该文档共同所有并通过引用全部并入本文。
因此，根据本文所述的实施例的具有集成加热的半导体激光二极管可用于提供具有更有效的热传递的激光波长的温度控制。
根据一个实施例，具有集成加热的半导体激光二极管包括形成至少一个有源区的多个半导体层。半导体激光二极管包括一激光区域，激光区域包括半导体层的第一部分和有源区，并且配置为发射激光。一激光电极位于半导体层的第一部分的外表面上，并且电耦合到半导体层的第一部分中的激光区域。半导体激光二极管还包括一加热区域，加热区域具有半导体层的第二部分和有源区。加热区域配置为产生热量并且热耦合到激光区域，使得由加热区域产生的热量传导到激光区域。一加热器电极位于半导体层的第二部分的外表面上，并且电耦合到半导体层的第二部分中的加热区域。加热器电极与激光电极分离。
根据另一实施例，多通道光发射次模块(TOSA)包括一半导体激光二极管阵列，半导体激光二极管阵列用以产生与多个光学通道相关联的激光。半导体激光二极管中的至少一个是如上所述的具有集成加热的半导体激光二极管。多通道光发射次模块(TOSA)还包括光耦合到半导体激光二极管阵列的一光多路复用器。光多路复用器用以组合不同的相应信道波长的激光。多通道光发射次模块(TOSA)还包括电耦合到激光电极和加热器电极的驱动电路。驱动电路用以将激光驱动信号提供给激光区域并且将加热器驱动信号提供给加热区域。
根据再一实施例，提供了一种用于半导体激光二极管的制造方法。这种制造方法包括：提供形成有源区的多个半导体层；在半导体层的第一部分中形成一激光区域并且在半导体层的第二部分中形成一加热区域，激光区域包括有源区的第一部分且加热区域包括有源区的第二部分；在第一部分中的半导体层的外表面上沉积一激光电极，其中激光电极电耦合到半导体层的第一部分中的激光区域；在第二部分中的半导体层的外表面上沉积一加热器电极，其中加热器电极电耦合到半导体层的第二部分中的加热区域；以及在与激光电极和加热器电极相对的半导体层的外表面上沉积至少一个底部电极。
虽然本发明的原理描述如上，但是本领域技术人员应当理解的是本说明仅通过示例的方式进行而不作为对本发明范围的限制。除了这里表示及描述的示例实施例之外，其它实施例也属于本发明的范围内。在以下的权利要求所限定的本发明的范围内，本领域的技术人员可进行不同的修改和替换。

Claims (18)

1.一种具有集成加热的半导体激光二极管，所述半导体激光二极管包括：
多个半导体层，形成至少一个有源区；
一激光区域，包括所述多个半导体层的一第一部分和所述有源区，其中所述激光区域用以发射激光；
一激光电极，位于所述多个半导体层的所述第一部分的外表面上并且电耦合到所述多个半导体层的所述第一部分中的所述激光区域；
一加热区域，包括所述多个半导体层的一第二部分和所述有源区，其中所述加热区域用以产生热量，并且其中所述加热区域热耦合到所述激光区域，使得由所述加热区域产生的热量传导到所述激光区域；
一加热器电极，位于所述多个半导体层的所述第二部分的外表面上并且电耦合到所述多个半导体层的所述第二部分中的所述加热区域，其中所述加热器电极与所述激光电极分离；以及
其中所述激光区域中的所述有源区的所述第一部分与所述加热区域中的所述有源区的所述第二部分隔离，其中一外部半导体层包括沿所述激光区域并形成在所述第一部分的一p型半导体层中以及延伸通过绝缘层的一脊，以及其中所述激光电极位于所述脊上并且电耦合到所述脊。
2.根据权利要求1所述的具有集成加热的半导体激光二极管，其中所述多个半导体层包括至少一个p型半导体层和至少一个n型半导体层。
3.根据权利要求2所述的具有集成加热的半导体激光二极管，其中所述多个半导体层还包括一本征层，所述本征层在所述至少一个p型半导体层和所述至少一个n型半导体层之间形成所述有源区。
4.根据权利要求1所述的具有集成加热的半导体激光二极管，还包括所述绝缘层，以隔离所述激光区域中的所述有源区的所述第一部分，其中所述绝缘层位于至少一个沟槽中，所述至少一个沟槽通过所述激光区域和所述加热区域之间的所述多个半导体层的至少一部分形成。
5.根据权利要求4所述的具有集成加热的半导体激光二极管，其中所述绝缘层将所述激光电极与所述加热器电极隔离。
6.根据权利要求1所述的具有集成加热的半导体激光二极管，其中所述激光区域包括在所述有源区的所述第一部分的每个端部上的一后反射器以及一出口反射器，用以形成一激光腔。
7.根据权利要求1所述的具有集成加热的半导体激光二极管，还包括至少一个底部电极，所述底部电极位于与所述激光电极和所述加热器电极相对的所述多个半导体层的一侧上。
8.根据权利要求1所述的具有集成加热的半导体激光二极管，其中所述激光区域用以在不同温度下发射不同波长的激光。
9.一种多通道光发射次模块，包括：
半导体激光二极管的阵列，用以产生与多个光通道相关联的激光，所述半导体激光二极管中的至少一个包括：
多个半导体层，形成至少一个有源区；
一激光区域，包括所述多个半导体层的一第一部分和所述有源区，其中所述激光区域用以发射激光；
一激光电极，位于所述多个半导体层的所述第一部分的外表面上并且电耦合到所述多个半导体层的所述第一部分中的所述激光区域；
一加热区域，包括所述多个半导体层的一第二部分和所述有源区，其中所述加热区域用以产生热量，并且其中所述加热区域热耦合到所述激光区域，使得由所述加热区域产生的热量传导到所述激光区域；以及一加热器电极，位于所述多个半导体层的所述第二部分的外表面上并且电耦合到所述多个半导体层的所述第二部分中的所述加热区域，其中所述加热器电极与所述激光电极分离，其中一外部半导体层包括沿所述激光区域并形成在所述第一部分的一p型半导体层中以及延伸通过绝缘层的一脊，以及其中所述激光电极位于所述脊上并且电耦合到所述脊；
一光多路复用器，光耦合到半导体激光二极管的所述阵列，所述光多路复用器用以组合不同的相应信道波长的激光；以及驱动电路，电耦合到所述激光电极和所述加热器电极，所述驱动电路用以将一激光驱动信号提供给所述激光区域并且将一加热器驱动信号提供给所述加热区域。
10.根据权利要求9所述的多通道光发射次模块，其中所述半导体激光二极管包括可调分布反馈(DFB)激光区域。
11.根据权利要求9所述的多通道光发射次模块，还包括至少一个热电冷却器，所述热电冷却器热耦合到半导体激光二极管的所述阵列，用于冷却所述半导体激光二极管。
12.根据权利要求9所述的多通道光发射次模块，其中所述光多路复用器是阵列波导光栅(AWG)。
13.根据权利要求9所述的多通道光发射次模块，其中所述信道波长包括国际电信(ITU)信道波长。
14.一种半导体激光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
提供形成一有源区的多个半导体层；
在所述多个半导体层的一第一部分中形成一激光区域和在所述多个半导体层的一第二部分中形成一加热区域，所述激光区域包括所述有源区的一第一部分并且所述加热区域包括所述有源区的一第二部分；
在所述第一部分中的所述多个半导体层的一外表面上沉积一激光电极，其中所述激光电极电耦合到所述多个半导体层的所述第一部分中的所述激光区域，其中一外部半导体层包括沿所述激光区域并形成在所述第一部分的一p型半导体层中以及延伸通过绝缘层的一脊，以及其中所述激光电极位于所述脊上并且电耦合到所述脊；
在所述第二部分中的所述多个半导体层的一外表面上沉积一加热器电极，其中所述加热器电极电耦合到所述多个半导体层的所述第二部分中的所述加热区域；以及在与所述激光电极和所述加热器电极相对的所述多个半导体层的一外表面上沉积至少一个底部电极。
15.根据权利要求14所述的半导体激光二极管的制造方法，其中所述多个半导体层包括至少一个p型半导体层和至少一个n型半导体层。
16.根据权利要求15所述的半导体激光二极管的制造方法，其中所述多个半导体层还包括一本征层，所述本征层形成所述p型半导体层和所述n型半导体层之间的所述有源区。
17.根据权利要求14所述的半导体激光二极管的制造方法，其中形成所述激光区域和所述加热区域包括：
在所述多个半导体层的所述第一部分和所述第二部分之间形成至少一个沟槽；
在所述至少一个沟槽中并且在所述多个半导体层的一外表面上沉积一绝缘材料；
以及分别在所述激光区域和所述加热区域中去除所述绝缘材料的第一部分和第二部分，以允许分别沉积所述激光电极和所述加热器电极。
18.根据权利要求14所述的半导体激光二极管的制造方法，其中形成所述激光区域还包括：在所述有源区的所述第一部分的每个端部上提供一后反射器以及一出口反射器，用以形成一激光腔。
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