專利名稱：具有耦合波導(dǎo)層的集成光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光器件，更詳細地說，涉及集成半導(dǎo)體光器件。
背景技術(shù)：
用于把具有不同帶隙能量值的半導(dǎo)體光電器件、例如半導(dǎo)體激光器和外部調(diào)制器集成在單一基片上的傳統(tǒng)方法分成三種主要類型。
在所謂的“對焊法”中，以外延方式在半導(dǎo)體基片上生長各種元件結(jié)構(gòu)之一(例如半導(dǎo)體激光器)。然后，從基片的表面上準備形成另一種元件結(jié)構(gòu)(例如調(diào)制器)的地方去除不希望有的生長區(qū)。因此，在這些區(qū)域上生長第二種元件結(jié)構(gòu)。這種方法有若干缺點在所述不同結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)層之間出現(xiàn)不對準；以及在第二生成步驟期間、在所述兩個區(qū)之間的邊界處出現(xiàn)不良的結(jié)晶質(zhì)量和層損傷。
第二種方法稱為“選擇區(qū)生長(SAG)”法。在這種技術(shù)中，在以外延方式在基片上生長器件之前，給所述基片加工圖案。在單一工藝步驟中生長所有元件結(jié)構(gòu)。因此，各光波導(dǎo)層自定位。依據(jù)以下事實、即在整個圖案基片上改變生長速度將導(dǎo)致諸如量子阱厚度等參數(shù)的變化，實現(xiàn)材料參數(shù)、尤其是帶隙能量的必要的差別。這種技術(shù)的主要缺點是可以實現(xiàn)的帶隙差別往往是有限的。還難于將兩種器件結(jié)構(gòu)單獨優(yōu)化，因為它們必需具有相同的層結(jié)構(gòu)和摻雜分布。
在通稱為量子阱混合(QWI)的第三種技術(shù)中，在單一生長步驟中、在通常的基片上生長元件量子阱(QW)結(jié)構(gòu)。通過混合處理來改變量子阱帶隙、這使所述QW改變材料成分和幾何形狀，導(dǎo)致帶隙變化。波導(dǎo)層也是自定位的。這種技術(shù)的主要缺點是可以實現(xiàn)的帶隙差別受到可實現(xiàn)的混合量的限制。所述混合處理通常是在高溫下進行的、因此可能導(dǎo)致材料質(zhì)量的退化。此外，混合處理對處理環(huán)境和基片表面狀態(tài)敏感，這會導(dǎo)致低的可重復(fù)性和控制能力。還難于將兩種器件結(jié)構(gòu)單獨優(yōu)化，因為它們必需具有相同的層結(jié)構(gòu)和摻雜分布。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種集成光器件，它包括基片層；由基片層攜帶的波導(dǎo)層；以及由波導(dǎo)層攜帶的第一光器件，其中，所述第一光器件與所述波導(dǎo)層光耦合。


圖1圖解說明運用本發(fā)明的第一集成光器件。該器件形成在基片1上并且包括形成所述各器件結(jié)構(gòu)的各材料層。所述基片攜帶波導(dǎo)層3，后者由能夠傳輸光信號的低損耗材料、例如具有較寬帶隙的半導(dǎo)體材料、如InP、GaAs或相關(guān)的化合物構(gòu)成。波導(dǎo)層3最好由包層4包圍。在包層4上或波導(dǎo)層3上設(shè)置各個光器件5和9。第一器件5包括器件區(qū)6和耦合區(qū)7。第二器件9包括耦合區(qū)10和器件區(qū)11。這樣設(shè)置每一個器件、使得它可以把光信號耦合到波導(dǎo)層3。由于以下原因而發(fā)生這種光耦合所述器件位于鄰接波導(dǎo)層3的位置，并且所述耦合區(qū)的傳播常數(shù)基本上等于波導(dǎo)層3的傳播常數(shù)。例如，1μm的間隔使光可以在所述器件和波導(dǎo)層3之間耦合。
但是，每一個光器件最好設(shè)置有耦合區(qū)，以便優(yōu)化器件與波導(dǎo)層之間的耦合，如圖1中所示。器件及其相關(guān)的耦合區(qū)的總長度確定了光信號在器件和波導(dǎo)層3之間耦合的模式。當光從器件耦合到波導(dǎo)層3中時，最好這樣選擇耦合區(qū)的長度、使得在器件的端部發(fā)生最大的光功率傳輸。這有助于把光損耗和后向散射減至最小。當光從波導(dǎo)層3耦合到器件中時，把所述長度選擇成或者有助于使耦合區(qū)端部的光功率傳輸達到最大、或者有助于沿著所述器件長度方向的漸變的光功率傳輸。前一種模式將使大部分光功率聚集在器件區(qū)的入口，而后一種模式將給出沿著器件長度方向的比較平均的光功率分布。如果耦合界面的長度等于波導(dǎo)層3的最低階模式的差拍長度，則可以實現(xiàn)完全耦合。這樣設(shè)置耦合區(qū)7和10、使得在這些區(qū)和波導(dǎo)層3之間發(fā)生強的光耦合。如上所述，這可以通過使所述耦合區(qū)的傳播常數(shù)基本上等于波導(dǎo)層3的傳播常數(shù)來實現(xiàn)。另一方面，可以使區(qū)域7和10的橫向波導(dǎo)形狀逐漸減小。這樣設(shè)置第一器件、使得由器件區(qū)6產(chǎn)生或處理的光信號通過耦合區(qū)7耦合到集成器件的波導(dǎo)層3中。然后，耦合到波導(dǎo)層3中的光信號通過第二器件9的耦合區(qū)10與第二器件9耦合。耦合區(qū)10與器件區(qū)11耦合、用于把光信號傳輸?shù)狡骷?。通過以下方法形成所述集成器件在基片1上生長波導(dǎo)層3(和光保護層4)；然后，或者在單一外延生長操作中、或者在分開的操作中生長各個器件5和9。以與所述器件區(qū)集成的方式形成每個器件的耦合區(qū)，因此，兩者之間的光耦合得以加強。
由于器件5和9中的每一個與集成器件的波導(dǎo)層耦合、以便在兩個器件之間傳輸信號，所以，不必以同一制造步驟的一部分的形式來生產(chǎn)所述各器件。波導(dǎo)層3提供用于在所述各器件之間傳輸光信號的獨立的耦合通路14，因此，所述傳輸與實現(xiàn)所述器件之間的直接耦合無關(guān)。
圖2圖解說明本發(fā)明的特殊的實施例，其中，第一器件是分布式反饋半導(dǎo)體激光器(器件區(qū)6)，而第二器件是電吸收調(diào)制器。兩種器件使用短的耦合區(qū)長度、以便優(yōu)化器件和波導(dǎo)層3之間的耦合。在圖2所示的實例中，波導(dǎo)層3是無源的，并且僅僅使光能量能夠沿著光通路14在兩個器件之間傳輸。
圖3中示出本發(fā)明的另一個實施例，其中，分布式反饋激光器6通過耦合器7耦合到波導(dǎo)層3。在圖3的實施例中，設(shè)置也是電吸收調(diào)制器的第二器件15。但是，在圖3的實施例中，由其上可施加偏壓的調(diào)制層16來形成調(diào)制器15。波導(dǎo)層3則形成調(diào)制器本身的一部分。
因此，應(yīng)當指出，本發(fā)明的各實施例能夠克服與先有技術(shù)有關(guān)的缺點。例如，圖3的實施例易于制造，因為僅僅需要一種外延生長處理，而通過簡單的金屬化處理來制造所述調(diào)制器。根據(jù)本發(fā)明的可集成在攜帶波導(dǎo)層的基片上的光器件的實例是法布里-珀羅(Fabry-Perot)空腔半導(dǎo)體激光器；分布式反饋半導(dǎo)體激光器；分布式布拉格(Bragg)反射半導(dǎo)體激光器；電吸收調(diào)制器；馬赫-策恩德(Mach-Zehnder)調(diào)制器；或電光調(diào)制器。其它光元件、例如檢測器或放大器也適用于本發(fā)明的實施例。當然，以上器件和元件清單不是沒有遺漏的，其它合適的器件和元件也可以用于采用本發(fā)明的集成器件中。
權(quán)利要求
1.一種集成光器件，它包括第一和第二光器件以及光波導(dǎo)層，其中，每一個光器件設(shè)置成與所述波導(dǎo)層光耦合。
2.一種集成光器件，它包括基片層；由所述基片層攜帶的波導(dǎo)層；以及由所述波導(dǎo)層攜帶的第一光器件，其中所述第一光器件與所述波導(dǎo)層光耦合。
3.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于包括由所述波導(dǎo)層攜帶并且與所述波導(dǎo)層光耦合的第二光器件。
4.如權(quán)利要求2或3所述的器件，其特征在于所述第一光器件通過所述第一光器件的耦合區(qū)與所述波導(dǎo)層耦合。
5.如權(quán)利要求2、3或4所述的器件，其特征在于所述第二光器件通過所述第二光器件的耦合區(qū)與所述波導(dǎo)層耦合。
6.如權(quán)利要求2-5中任何一個所述的器件，其特征在于所述第一光器件是分布式反饋半導(dǎo)體激光器。
7.如權(quán)利要求2-5中任何一個所述的器件，其特征在于所述第一光器件是分布式布拉格(Bragg)反射半導(dǎo)體激光器。
8.如權(quán)利要求2-5中任何一個所述的器件，其特征在于所述第一光器件是法布里-珀羅(Fabry-Perot)空腔半導(dǎo)體激光器。
9.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-8中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件是電吸收調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-8中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件是馬赫-策恩德(Mach-Zehnder)調(diào)制器。
11.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-8中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件是電-光調(diào)制器。
12.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-8中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件是光放大器。
13.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-8中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件是光檢測器。
14.如權(quán)利要求2-13中任何一個所述的器件，其特征在于還包括由所述波導(dǎo)層攜帶并且與所述波導(dǎo)層光耦合的光器件。
15.如以上權(quán)利要求中任何一個所述的器件，其特征在于所述器件是半導(dǎo)體器件，其中，所述光器件或者每一個光器件由分層結(jié)構(gòu)形成。
16.如權(quán)利要求15所述的器件，其特征在于通過外延生長法在所述波導(dǎo)層上形成所述光器件或者每一個光器件。
17.如權(quán)利要求2-16中任何一個所述的器件，其特征在于所述波導(dǎo)層包括光傳輸材料層和保護材料層。
18.如權(quán)利要求3或者從屬于權(quán)利要求3的權(quán)利要求4-17中任何一個所述的器件，其特征在于所述第二光器件的至少一部分是由所述波導(dǎo)層的一部分形成的。
19.一種基本上如上文中參考所述附圖描述的并且如所述附圖中所示的集成光器件。
全文摘要
一種集成光學(xué)器件包括第一和第二光學(xué)器件(5,9)以及光波導(dǎo)層(3)。每一個光器件(5,9)設(shè)置成與波導(dǎo)層(3)光耦合。所述要耦合的光器件可以是例如分布式反饋半導(dǎo)體激光器和電吸收調(diào)制器。
文檔編號G02B6/122GK1361873SQ0081036
公開日2002年7月31日 申請日期2000年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月15日
發(fā)明者I·H·懷特, R·V·彭蒂, S·于 申請人:布里斯托爾大學(xué)