專利名稱：耦合波導、其制作方法及應用其的半導體光電子器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子器件技術領域，尤其涉及一種耦合波導、其制作方法及應用其的半導體光電子器件。
背景技術：
微波鏈路在通訊、信號處理和雷達等方面有著重要的應用。然而，隨著微波頻率的提高，微波射頻信號在電纜線和波導中的損耗迅速增大，尤其是在毫米波波段。微波光纖鏈路用微波信號來進行光強度調制，并且通過光纖進行傳輸或分發(fā)到光接收機，通過光接收機來還原微波信號。從鏈路兩端來看，微波光纖鏈路與微波鏈路完全等效，且由于光纖的光損耗非常小，因此大大增加了高頻微波信號的傳輸距離。正因為微波光纖鏈路的這個優(yōu)勢，其在無線通信、有線電視、相控陣天線、遠程天線等領域有廣泛的應用。微波光纖鏈路中，激光器的噪聲會惡化鏈路的噪聲系數(shù)，調制器的非線性也會減小鏈路的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。所以，微波光纖鏈路與有源微波鏈路類似，其重要的性能參數(shù)為1、微波增益和帶寬；2、噪聲系數(shù)(NF) ；3、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。為了提高微波增益、減小噪聲系數(shù)，最為有效的手段就是提高工作點光功率，因而要求光調制器和探測器具有高飽和光功率特性。對于半導體的光調制器和探測器，在高光功率條件下將面臨光學非線性、光生載流子堆積等問題。這些問題將直接導致器件出現(xiàn)光功率飽和現(xiàn)象，從而出現(xiàn)轉換效率下降的后果。解決這些問題的方法可從材料優(yōu)化和器件結構優(yōu)化兩方面入手。目前，器件結構優(yōu)化方面有采用大光腔的方法，來降低整個器件中有源區(qū)的光限制因子，減小了光生載流子密度。這有效提高了器件的飽和光功率。但由于整個器件中的光限制因子都較小，光吸收不夠充分，導致驅動電壓增大，減小鏈路的微波增益。為了克服這個缺點，降低驅動電壓，大光腔結構的調制器其器件長度往往較長，這又會帶來器件帶寬下降、插入損耗增加、制作難度提高等問題。分析電吸收調制器中光傳播過程，在整個電吸收調制器中，由于吸收的作用，光沿著傳播方向越來越弱。也就是說，對于傳統(tǒng)的波導結構，在光入射端有源區(qū)光密度最大，即光生載流子濃度最大，最容易出現(xiàn)飽和效應。而在波導后端，由于光吸收作用，有源區(qū)的光密度已經遠遠小于輸入端的有源區(qū)光密度，導致波導后端光吸收很弱，不利于實現(xiàn)較小的驅動電壓。因此，為了實現(xiàn)較大的飽和光功率，只需要減小輸入端有源區(qū)光密度即可。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種耦合波導、其制作方法及應用其的半導體光電子器件，以根據(jù)需要對耦合波導各處橫向光場的分布進行調整，進而優(yōu)化器件光限制因子的分布。( 二 )技術方案為解決上述問題，一方面，本發(fā)明提供了一種耦合波導，包括從下往上依次分布的
4襯底、下波導包層、第一波導芯層、隔離層、第二波導芯層和上波導包層，所述第一波導芯層為有源波導層，所述第二波導芯層為耦合導引波導層，所述第二波導芯層具有橫向寬度沿導光方向逐漸變化的寬度漸變段，所述上波導包層覆蓋于所述第二波導芯層的上方和側優(yōu)選地，所述第二波導芯層寬度漸變段的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬、再逐漸變窄。優(yōu)選地，所述第一波導芯層為多量子阱有源層。優(yōu)選地，所述耦合波導為脊波導，所述隔離層、第二波導芯層和上波導包層形成所述脊波導的脊形部分。另一方面，本發(fā)明提供了一種上述耦合波導的制作方法，包括以下步驟Sl 在潔凈的外延片上一次外延依次生長下波導包層、第一波導芯層、隔離層以及第二波導芯層；S2:對所述第二波導芯層進行處理，形成橫向寬度沿導光方向變化的寬度漸變段；S3:進行二次外延形成覆蓋于所述第二波導芯層的上方和側面的上波導包層。優(yōu)選地，所述對第二波導芯層進行處理的步驟包括用電子束曝光在所述第二波導芯層上制作掩膜，再通過先干法刻蝕、后濕法腐蝕所述第二波導芯層的過程。優(yōu)選地，在所述步驟S3之后還包括通過干法對所述上波導包層和隔離層進行刻蝕以形成脊波導的步驟。又一方面，本發(fā)明提供了一種具有上述耦合波導的半導體光電子器件，所述半導體光電子器件包括電吸收調制器或光探測器，所述耦合波導第二波導芯層與所述電吸收調制器或光探測器對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變窄。優(yōu)選地，所述半導體光電子器件還包括與所述電吸收調制器或光探測器共用同一耦合波導的半導體光放大器，所述耦合波導的第二波導芯層與所述半導體光放大器對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變寬。優(yōu)選地，所述半導體光放大器與所述電吸收調制器或光探測器沿導光方向先后相鄰設置，所述第二波導芯層的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬再逐漸變窄。優(yōu)選地，所述第一波導芯層材料的對應波長為1260 1600nm、所述第二波導芯層材料的對應波長為1000 1500nm。優(yōu)選地，所述第一波導芯層材料的對應波長為700 lOOOnm、所述第二波導芯層材料的對應波長為500 900nm。優(yōu)選地，所述電吸收調制器的出光端面上設有一層端面反射率范圍在10-8到 10%的介質膜。優(yōu)選地，所述光探測器的出光端面上有一層端面反射率在90%以上的介質膜。(三)有益效果本發(fā)明的耦合波導通過對第二波導芯層寬度進行調節(jié)，可以對器件內光限制因子的分布進行優(yōu)化。本發(fā)明的電吸收調制器或光探測器通過使用上述耦合波導，使其入射端光限制因子較小，出射端光限制因子較大，從而使得器件各處的光生載流子密度相同，即光吸收均勻化。這種結構有效地防止了器件內局部光生載流子過多，出現(xiàn)局部飽和的現(xiàn)象，大大增加了器件的飽和光功率。另外，應用了上述耦合波導的電吸收調制器由于在整個調制器內光吸收率都很接近，提高了光的吸收效率，可以防止驅動電壓增大。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例半導體光電子器件的結構示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例半導體光電子器件的層結構示意圖；其中1 襯底；2 下波導包層；3 第一波導芯層；4 隔離層；5 第二波導芯層；6 上波導包層；7 歐姆接觸層；8 電吸收調制器電極；9 半導體光放大器電極；10 =N電極； 11 電極隔離槽；12 聚酰亞胺絕緣層；13 =SiNx絕緣層；21 第一緩沖層；22 第二緩沖層； 23 第一波導芯層下限制層；41 第一波導芯層上限制層；42 第三緩沖層；43 第一隔離子層；44 腐蝕停止層；45 第二隔離子層；EAM 電吸收調制器；SOA 半導體光放大器。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明如下。實施例一如圖1所示，本實施例的耦合波導，包括從下往上依次分布的襯底1(襯底1在圖 1中沒有示出)、下波導包層2、第一波導芯層3、隔離層4、第二波導芯層5和上波導包層6， 所述第一波導芯層3為有源波導層，所述第二波導芯層5為耦合導引波導層，所述第二波導芯層5具有橫向寬度沿導光方向逐漸變化的寬度漸變段，所述上波導包層6覆蓋于所述第二波導芯層5的上方和側面。在本實施例中，所述第二波導芯層5寬度漸變段的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬、再逐漸變窄。在本發(fā)明的其它實施例中，根據(jù)耦合波導應用的需要，所示第二波導芯層 5寬度漸變段的橫向寬度還可以呈現(xiàn)為其它形式的變化。在本實施例中，所述第一波導芯層3為多量子阱有源層。在本發(fā)明的其它實施例中，所示第一波導芯層3還可以為量子線、量子點以及體材料有源層。在本實施例中，所述耦合波導為脊波導，所述隔離層4、第二波導芯層5和上波導包層6形成所述脊波導的脊形部分。當然，在本發(fā)明的其它實施例中，耦合波導還可以為其它的結構形式。實施例二 一種上述耦合波導的制作方法，包括以下步驟Sl 在潔凈的外延片上一次外延依次生長下波導包層2、第一波導芯層3、隔離層4 以及第二波導芯層5 ；S2:對所述第二波導芯層5進行處理，形成橫向寬度沿導光方向變化的寬度漸變段；S3 進行二次外延形成覆蓋于所述第二波導芯層5的上方和側面的上波導包層6。在本實施例中，所述對第二波導芯層5進行處理的步驟包括用電子束曝光在所述第二波導芯層5上制作掩膜，再通過先干法刻蝕、后濕法腐蝕所述第二波導芯層5的過程。 在其它實施例中，還可以采用其它方法來對第二波導芯層5的橫向寬度進行改變，得到需要形狀的寬度漸變段。
在本實施例中，在所述步驟S3之后還包括通過干法對所述上波導包層6和隔離層 4進行刻蝕以形成脊波導的步驟。實施例三如圖1所示，一種具有實施例一所述的耦合波導的半導體光電子器件，所述半導體光電子器件包括電吸收調制器EAM，所述耦合波導第二波導芯層5與所述電吸收調制器 EAM對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變窄。所述半導體光電子器件還包括與所述電吸收調制器EAM共用同一耦合波導的半導體光放大器S0A，所述耦合波導的第二波導芯層5與所述半導體光放大器SOA對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變寬。所述半導體光放大器SOA與所述電吸收調制器EAM沿導光方向先后相鄰設置，所述第二波導芯層5的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬再逐漸變窄。所述第一波導芯層3材料的對應波長為1260 1600nm、所述第二波導芯層5材料的對應波長為1000 1500nm。所述第一波導芯層3材料的對應波長為700 lOOOnm、所述第二波導芯層5材料的對應波長為500 900nm。所述電吸收調制器EAM的出光端面上設有一層端面反射率范圍在10_8到10%的介質膜，即抗反射鍍膜。實施例四一種具有實施例一所述的耦合波導的半導體光電子器件，包括光探測器，所述耦合波導第二波導芯層5與所述光探測器對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變窄。所述半導體光電子器件還包括與所述光探測器共用同一耦合波導的半導體光放大器S0A，所述耦合波導的第二波導芯層5與所述半導體光放大器SOA對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變寬。所述半導體光放大器SOA與所述光探測器沿導光方向先后相鄰設置，所述第二波導芯層5的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬再逐漸變窄。所述第一波導芯層3材料的對應波長為1260 1600nm、所述第二波導芯層5材料的對應波長為1000 1500nm。所述第一波導芯層3材料的對應波長為700 lOOOnm、所述第二波導芯層5材料的對應波長為500 900nm。所述光探測器的出光端面上有一層端面反射率在90%以上的介質膜，即高反射鍍膜。實施例五本實施例為實施例三更為具體的實施方式，如圖1和圖2所示，本實施例的半導體光電子器件包括從下往上依次分布的N電極10，襯底1，構成下波導包層2的第一緩沖層 21、第二緩沖層22和第一波導芯層下限制層23，作為第一波導芯層3的多量子阱有源層，構成隔離層4的第一波導芯層上限制層41、第三緩沖層42、第一隔離子層43、腐蝕停止層44 和第二隔離子層45，第二波導芯層5、上波導包層6、歐姆接觸層7以及歐姆接觸層7上的P 型電吸收調制器電極8和半導體光放大器電極9。其中在電吸收調制器電極8和半導體光放大器電極9之間設有將所述電吸收調制器電極8和半導體光放大器電極9、以及分別與二者連接的歐姆接觸層7隔斷的電極隔離槽11。其中多量子阱有源層的結構為12對量子阱，阱寬lOnm，光熒光波長1550nm，壘寬lOnm，光熒光波長1200nm ；第二波導芯層5材料對應光熒光波長1360nm。本實施例的電吸收調制器EAM和半導體光放大器SOA共用一個高摻雜的η型InP 襯底材料，其制作方法為先在襯底1上一次外延生長至第二波導芯層5 ；然后用光刻膠或SiNx做掩膜，用干法刻蝕和濕法腐蝕第二波導芯層5，制作出具有寬度漸變段的第二波導芯層5的形狀；再采用二次外延，生長其他的材料層，完全覆蓋第二波導芯層5，形成上波導包層 6 ；接著通過干法對所述上波導包層6和隔離層4進行刻蝕以形成脊波導，其中半導體光放大器SOA長500 μ m，采用低脊波導結構，脊寬為2 μ m，深度約2. 1 μ m ；電吸收調制器 EAM長70 μ m，采用高脊波導結構，脊寬為2 μ m，深約3 μ m ；為提高調制器帶寬，電吸收調制器電極8臺下用聚酰亞胺絕緣層12填充，電吸收調制器EAM和半導體光放大器SOA表面采用SiNx絕緣層13，脊條上的SiNx絕緣層去掉；最后通過刻蝕隔離槽的方法形成所述的電極隔離槽11并在電吸收調制器EAM的出光端鍍上抗反射鍍膜。在本實施例中，也可以將所述的電吸收調制器EAM替換成光探測器，在光探測器的情況下，出光端鍍高反射鍍膜。本發(fā)明的耦合波導通過對第二波導芯層5寬度進行調節(jié)，可以對器件內光限制因子的分布進行優(yōu)化。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種耦合波導，包括從下往上依次分布的襯底(1)、下波導包層O)、第一波導芯層(3)、隔離層G)、第二波導芯層(5)和上波導包層(6)，其特征在于，所述第一波導芯層(3) 為有源波導層，所述第二波導芯層(5)為耦合導引波導層，所述第二波導芯層(5)具有橫向寬度沿導光方向逐漸變化的寬度漸變段，所述上波導包層(6)覆蓋于所述第二波導芯層 (5)的上方和側面。
2.如權利要求1所述的耦合波導，其特征在于所述第二波導芯層(5)寬度漸變段的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬、再逐漸變窄。
3.如權利要求1所述的耦合波導，其特征在于所述第一波導芯層(3)為多量子阱有源層。
4.如權利要求1所述的耦合波導，其特征在于所述耦合波導為脊波導，所述隔離層 G)、第二波導芯層( 和上波導包層(6)形成所述脊波導的脊形部分。
5.一種權利要求1-4中任一項所述的耦合波導的制作方法，其特征在于，包括以下步驟51在潔凈的外延片上一次外延依次生長下波導包層O)、第一波導芯層(3)、隔離層(4)以及第二波導芯層(5)；52對所述第二波導芯層( 進行處理，形成橫向寬度沿導光方向變化的寬度漸變段；53進行二次外延形成覆蓋于所述第二波導芯層( 的上方和側面的上波導包層(6)。
6.如權利要求5所述的制作方法，其特征在于所述對第二波導芯層(5)進行處理的步驟包括用電子束曝光在所述第二波導芯層( 上制作掩膜，再通過先干法刻蝕、后濕法腐蝕所述第二波導芯層(5)的過程。
7.如權利要求5或6所述的制作方法，其特征在于在所述步驟S3之后還包括通過干法對所述上波導包層(6)和隔離層(4)進行刻蝕以形成脊波導的步驟。
8.一種具有權利要求1-4中任一項所述的耦合波導的半導體光電子器件，其特征在于，所述半導體光電子器件包括電吸收調制器(EAM)或光探測器，所述耦合波導第二波導芯層( 與所述電吸收調制器(EAM)或光探測器對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變窄。
9.如權利要求8所述的半導體光電子器件，其特征在于，所述半導體光電子器件還包括與所述電吸收調制器(EAM)或光探測器共用同一耦合波導的半導體光放大器(SOA)，所述耦合波導的第二波導芯層( 與所述半導體光放大器(SOA)對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變寬。
10.如權利要求9所述的半導體光電子器件，其特征在于，所述半導體光放大器(SOA) 與所述電吸收調制器(EAM)或光探測器沿導光方向先后相鄰設置，所述第二波導芯層(5) 的橫向寬度沿導光方向先逐漸變寬再逐漸變窄。
11.如權利要求8所述的半導體光電子器件，其特征在于所述第一波導芯層(3)材料的對應波長為1260 1600nm、所述第二波導芯層(5)材料的對應波長為1000 1500nm。
12.如權利要求8所述的半導體光電子器件，其特征在于所述第一波導芯層(3)材料的對應波長為700 lOOOnm、所述第二波導芯層(5)材料的對應波長為500 900nm。
13.如權利要求8 12中任一項所述的半導體光電子器件，其特征在于，所述電吸收調制器(EAM)的出光端面上設有一層端面反射率范圍在10-8到10%的介質膜。
14.如權利要求8 12中任一項所述的半導體光電子器件，其特征在于，所述光探測器的出光端面上有一層端面反射率在90 %以上的介質膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耦合波導、其制作方法及應用其的半導體光電子器件。所述耦合波導包括襯底、下波導包層、第一波導芯層、隔離層、第二波導芯層和上波導包層，所述第二波導芯層具有橫向寬度沿導光方向逐漸變化的寬度漸變段。其制作方法為S1一次外延依次生長下波導包層、第一波導芯層、隔離層以及第二波導芯層；S2對所述第二波導芯層進行處理，形成寬度漸變段；S3進行二次外延形成上波導包層。所述半導體光電子器件包括電吸收調制器或光探測器，所述耦合波導第二波導芯層與所述電吸收調制器或光探測器對應部分的橫向寬度沿導光方向逐漸變窄。本發(fā)明可以根據(jù)需要對耦合波導各處橫向光場的分布進行調整，進而優(yōu)化器件光限制因子的分布。
文檔編號G02B6/122GK102419460SQ20111027613
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權日2011年9月16日
發(fā)明者孫長征, 朱軍浩, 熊兵, 羅毅, 趙湘楠 申請人:清華大學