專利名稱：一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光放大器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier-SOA)在光信息處理、光通信網(wǎng)絡(luò)、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)、光傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在光纖通信系統(tǒng)中，半導(dǎo)體光放大器將起到越來越重要的作用。隨著以互聯(lián)網(wǎng)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)以光纖通信為主要骨架的現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的高速率、大容量提出了更高的要求。對(duì)于電子線路處理能力而言，當(dāng)傳輸速率達(dá)到每秒數(shù)(Gbit/s)時(shí)，基本上接近其極限，因此為解決傳輸?shù)母咚俾蕟栴}，全光網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有效的解決途徑，而光放大器是全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，無論是在長距離傳輸或是城域網(wǎng)、接入網(wǎng)中，為補(bǔ)償光傳輸損耗，光放大器都是必不可少的重要器件；同時(shí)，面對(duì)未來越來越大的通信容量和網(wǎng)絡(luò)管理靈活性的需求，基于波分復(fù)用(WDM)的全光路由和光交換、光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展是刻不容緩的。光放大器在光子學(xué)中的地位宛如電子學(xué)中的三極管，在光信息技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用前景。在光傳輸系統(tǒng)中，可以作為前置放大、后置放大、線路放大；在光網(wǎng)絡(luò)中，可以作為光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器、全光3R再生設(shè)備、信號(hào)放大的關(guān)鍵元件。
目前，主要有兩種類型的光放大器(1)半導(dǎo)體光放大器(SOA)和(2)摻鉺光纖放大器(EDFA)。EDFA具有低躁聲指數(shù)、高飽和輸出功率、高增益、易與光纖耦合等優(yōu)良特性而率先進(jìn)入實(shí)用化，但是，EDFA僅能工作在1550nm波長窗口；而半導(dǎo)體光放大器因其內(nèi)在固有的優(yōu)越性可以在半導(dǎo)體激光器所能工作的任何波長范圍穩(wěn)定工作，并且易于與其它半導(dǎo)體光電子器件實(shí)現(xiàn)單片集成。同時(shí)，在儀器儀表、光傳感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，半導(dǎo)體光放大器作為光源、放大器等重要元件也有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。高增益、高飽和輸出功率、低噪聲指數(shù)、偏振無關(guān)性以及良好的溫度特性是光網(wǎng)絡(luò)對(duì)半導(dǎo)體光放大器提出的基本要求，為提高半導(dǎo)體光放大器的性能并增加其與其它光電子器件集成的靈活性，偏振相關(guān)性是亟待解決的問題之一，半導(dǎo)體能帶工程的發(fā)展使得偏振無關(guān)的增益可以通過采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也改善了半導(dǎo)體光放大器的其它性能。
絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器和放大器都是溫度敏感器件，在半導(dǎo)體光放大器的實(shí)際應(yīng)用中，尤其是其集成應(yīng)用中，良好的溫度特性具有極其重要的意義，InGaAsP-InP是目前較為成熟的制作半導(dǎo)體激光器和放大器的材料，但基于InGaAsP-InP材料系的半導(dǎo)體放大器溫度特性較差，在實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)和器件集成應(yīng)用中受到許多限制，這是因?yàn)樵诹孔于褰Y(jié)構(gòu)中，載流子主要是導(dǎo)帶電子會(huì)穿越勢壘層而泄漏到有源區(qū)之外，而電子穿越勢壘層泄漏出去的幾率與量子阱導(dǎo)帶的勢壘高度有關(guān)。一般地，勢壘高度越大，載流子泄漏出去的幾率越小，因此提高導(dǎo)帶的勢壘高度能夠有效減小電子的泄漏，改善半導(dǎo)體激光器件的溫度特性。因此，為了減小電子的泄漏，需要增加電子的限制勢能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，該放大器不僅偏振靈敏度底，而且溫度特性好。
本發(fā)明提供的一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，依次包括InP襯底、n型InP緩沖層，張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)、p型InP包層、p型InGaAs接觸層，其頂層和底層附有電極，其特征在于張應(yīng)變有源區(qū)的材料為AlGaInAs。
本發(fā)明采用AlGaInAs材料替換InGaAsP材料構(gòu)成半0導(dǎo)體光放大器。對(duì)于AlGaInAs材料，不同的AlyGaxIn1-x-yAs所組成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶不連續(xù)ΔEc＝0.72ΔEg；而Inl-xGaxAsyP1-y組成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶不連續(xù)ΔEc＝0.4ΔEg?？梢?，AlGaInAs能更有效地阻止電子穿越勢壘層泄漏，改善器件的高溫特性。同時(shí)應(yīng)變效應(yīng)改善了量子阱的價(jià)帶結(jié)構(gòu)，減少了俄歇復(fù)合和價(jià)帶間吸收，提高透明載流子濃度和量子效率，進(jìn)一步改善器件溫度特性。此外，AlGaInAs材料的另一優(yōu)點(diǎn)是，與InGaAsP材料相比，同樣帶隙的AlGaInAs材料的折射率比InGaAsP材料的折射率大，使半導(dǎo)體激光器件不但具有大的電子限制，而且具有更大的光限制。正是由于AlGaInAs材料的上述特點(diǎn)，使其非常適合作為高溫?zé)o致冷半導(dǎo)體激光器的材料?？梢?，相對(duì)于常規(guī)InGaAsP-InP偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，本發(fā)明在光放大器有源區(qū)采用AlGaInAs材料，能更有效地阻止電子穿越勢壘層泄漏，改善器件的高溫特性。本發(fā)明偏振靈敏度底，溫度特性好，可以廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)、光子集成和光電子集成。


圖1為AlGaInAs-InP應(yīng)變量子阱偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為200mA電流下光放大器的偏振解析增益譜；圖3為200mA電流下光放大器的偏振解析自發(fā)輻射(ASE)功率譜；圖4為不同溫度下光放大器在1.55μm波長窗口增益與電流的關(guān)系；圖5為不同溫度下光放大器偏振相關(guān)度與信號(hào)光波長的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面以1.55μm偏振無關(guān)應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體光放大器的一個(gè)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本發(fā)明包括InP襯底1，n型InP緩沖層2、張應(yīng)變有源區(qū)3、p型脊型波導(dǎo)4和p型InGaAs接觸層5。與通常光放大器一樣，上述器件的頂部和底部還設(shè)有電極，材料為Ti/Pt/Au，在附圖中沒有標(biāo)出。有源區(qū)3一般有三種結(jié)構(gòu)A.采用張應(yīng)變AlGaInAs體材料結(jié)構(gòu)，B.張應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)C.張應(yīng)變壘多量子阱結(jié)構(gòu)。
基于AlGaInAs-InP材料系的1.55μm偏振無關(guān)應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體光放大器的具體工藝實(shí)施過程如下所述。
(1)襯底表面清洗襯底表面的氧化物和雜質(zhì)對(duì)制備出的化合物半導(dǎo)體薄膜的附著力和薄膜的均勻性等性能都有很大影響，所以進(jìn)行MOCVD材料生長前首先要嚴(yán)格清洗襯底表面清洗工藝針對(duì)不同的襯底而有所不同。如使用InP襯底，采用濃硫酸、去離子水和雙氧水的混合溶液(H2SO4∶H2O∶H2O2＝3∶1∶1)清洗后，去離子水漂洗，然后用氮?dú)鈽尨蹈?，備用?br> (2)MOCVD材料生長材料生長用的設(shè)備是EMCORE公司生產(chǎn)的D-180型低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延設(shè)備(LP-MOVPE)，生長時(shí)載有襯底片的托盤在反應(yīng)腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)以保證材料生長的大面積均勻性。生長用的III族源為三甲基銦(TMIn)和三甲基鎵(TMGa)，V族源為砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，載氣為經(jīng)鈀管擴(kuò)散后的氫氣。為了獲得高質(zhì)量的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，首先必須摸索出一套優(yōu)化的MOVPE材料生長參數(shù)，如V/III比、生長溫度、反應(yīng)腔壓力、生長速率以及各種源的流量等。
對(duì)于AlGaInAs材料，氧雜質(zhì)含量是決定外延材料質(zhì)量的一個(gè)極其重要的因素，因此，如何有效地降低材料中的氧含量是MOCVD外延生長所必須關(guān)注的問題。我們摸索出了一套優(yōu)化的AlGaInAs量子阱材料MOCVD生長參數(shù)，如表1所示。同時(shí)，AlGaInAs量子阱材料的生長必須考慮到III族和V族源的純度、載氣(氫氣)的純度和系統(tǒng)的氣密性。為了保證生長出高質(zhì)量的AlGaInAs應(yīng)變量子阱材料，采用EPICHEM公司的外延純級(jí)TMAl源，并在鈀管后加裝賽斯公司的吸附式純化器，將H2純度從10-6提高到10-9，同時(shí)增設(shè)露點(diǎn)儀和微氧分析器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。按照?qǐng)D1所示材料結(jié)構(gòu)依次進(jìn)行生長。
表1 AlGaInAs應(yīng)變量子阱材料MOCVD生長主要工藝參數(shù)生長參數(shù)優(yōu)化值反應(yīng)腔壓力(P) 70 Torr生長溫度(T) 700℃V/III比 ＞300生長速率(R) 0.28nm/sIII族源溫度 TMIn17℃/TMGa-10℃/TMAl0℃(3)管芯制作MOCVD材料生長完畢后， MOCVD材料生長完畢后，采用光刻、刻蝕、濺射、合金等工藝制作脊型波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)和電極。脊寬采用2.8μm，腔長為650μm；另外，為有效降低腔面反射率，采用7°斜腔以抑制腔面剩余反射率。
(4)半導(dǎo)體光放大器腔面減反(AR)膜工藝在器件端面蒸鍍TiO2/SiO2兩層抗反膜系，工藝過程中采用剩余反射率實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，保證最終光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。
利用上述的工藝制作了基于AlGaInAs-InP材料系的1.55μm偏振無關(guān)張應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體光放大器，其n型InP緩沖層2的厚度為1.0μm，p型脊型波導(dǎo)4的厚度為1.5μm，p型InGaAs接觸層5的厚度為0.3μm。張應(yīng)變有源區(qū)3為張應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)，其阱材料為1.60μm波長AlGaInAs材料，阱厚10nm，張應(yīng)變量為-0.40％；量子阱之間用12nm厚、波長為1.28μm的AlGaInAs匹配壘隔開。
如果有源區(qū)采用結(jié)構(gòu)A或C，可采用以下參數(shù)制作A.張應(yīng)變AlGaInAs體材料結(jié)構(gòu)，層厚為0.10μm，張應(yīng)變量為-0.12％；C.張應(yīng)變壘多量子阱結(jié)構(gòu)，阱采用匹配或壓應(yīng)變阱，材料為AlGaInAs，壘采用張應(yīng)變AlGaInAs材料，張應(yīng)變量為-1.2％，阱和壘的厚度均為5nm。
上述阱采用匹配或壓應(yīng)變阱，材料為AlGaInAs，壘采用張應(yīng)變AlGaInAs材料；采用目前較為成熟的分別限制異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(SCH)；上下波導(dǎo)層均采用波長為1.28μm的AlGaInAs匹配材料，厚度分別為0.1μm和0.15μm。各附圖均為采用有源區(qū)結(jié)構(gòu)B所制作的器件的測試結(jié)果。另外，由于AlGaInAs材料極易被氧化，因此，在上波導(dǎo)層上方InP包層中加入20nm厚的四元InGaAsP材料作為腐蝕停止層；襯底為n型InP材料。
管芯制作完成后，采用帶有微透鏡的光纖組件進(jìn)行雙端耦合封裝，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，光纖與放大器管芯的耦合損耗約為單端-4dB，封裝器件中帶有熱電致冷器、熱敏電阻為器件提供溫控，設(shè)定器件工作溫度為25℃，對(duì)器件特性進(jìn)行測試分析。圖2所示為200mA偏置電流水平下測試所得的光放大器增益譜，測試中，保持輸入信號(hào)功率為-25dBm；從圖中可以看到，在1.54μm波長處，AlGaInAs-InP光放大器管芯的增益約為20dB，同時(shí)，整個(gè)波長范圍內(nèi)(1510nm～1590nm)的增益的偏振相關(guān)度始終保持在0.8dB以下，這說明，AlGaInAs-InP應(yīng)變量子阱偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器已被成功實(shí)現(xiàn)；圖3為200mA時(shí)放大器的偏振解析自發(fā)輻射譜(ASE)，圖中ASE譜波動(dòng)值在0.3dB以下，證明腔面具有極低的剩余反射率(＜0.02％)，TE和TM模功率在整個(gè)波長范圍內(nèi)基本接近，另外從ASE譜可以看到其3dB帶寬大于50nm，與增益譜基本一致。
前已述及，與常規(guī)的GaInAsP-InP材料系器件相比，AlGaInAs-InP材料系半導(dǎo)體激光器具有更好的溫度特性，那么，對(duì)于AlGaInAs-InP半導(dǎo)體光放大器而言，其溫度特性是否較常規(guī)的GaInAsP-InP器件有所改善是我們極為關(guān)心的一個(gè)問題，也是我們嘗試研究制作AlGaInAs-InP材料系半導(dǎo)體光放大器的主要目的之一。為此，我們?cè)诓煌瑴囟认聦?duì)研制的AlGaInAs-InP應(yīng)變量子阱光放大器的特性進(jìn)行測試分析。通過器件內(nèi)部的半導(dǎo)體熱電致冷器和熱敏電阻，分別設(shè)定AlGaInAs-InP應(yīng)變量子阱光放大器的工作溫度為25℃、45℃和65℃，在不同的溫度下測試器件在不同電流水平下的信號(hào)增益和偏振相關(guān)性。圖4顯示放大器在不同溫度情況下，器件增益特性和偏置電流的關(guān)系曲線，保持輸入信號(hào)功率為-25dBm，信號(hào)波長為1.55μm，圖中清晰顯示，器件增益隨溫度的升高而減小，當(dāng)器件工作溫度從25℃升高至65℃時(shí)，增益降低小于3dB；圖5顯示了在不同溫度下器件偏振相關(guān)度的變化情況，測試過程中，保持偏置電流為200mA，圖中可見，在不同的溫度情況下，器件都能保持較小的偏振相關(guān)性，且隨溫度的升高，偏振相關(guān)度有減小的趨勢。以上測試結(jié)果表明，我們成功實(shí)現(xiàn)了AlGaInAs-InP應(yīng)變量子阱半導(dǎo)體光放大器，并表現(xiàn)出了較好的溫度特性。通過有源區(qū)和器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝水平的提高，有望進(jìn)一步提高其增益及飽和特性。因此，AlGaInAs材料系具備制作高性能半導(dǎo)體光放大器的潛力。
應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的有效手段，有兩種應(yīng)變類型可以引入半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，壓應(yīng)變和張應(yīng)變。壓應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)能增加電子和重空穴的復(fù)合幾率，使光學(xué)增益更傾向于TE模，而張應(yīng)變效應(yīng)能將輕空穴提升到價(jià)帶的帶頂，有效提高TM模的增益，而且其能帶結(jié)構(gòu)也能得到優(yōu)化，因此，為從材料本身解決半導(dǎo)體光放大器的偏振靈敏性的問題，必須引入張應(yīng)變材料，我們采用的偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器的有源區(qū)結(jié)構(gòu)為匹配壘+張應(yīng)變阱的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，TM、TE模的增益都由張應(yīng)變阱提供，要使二者增益值和增益峰值波長相當(dāng)，必須精確組合和控制阱寬和應(yīng)變量。
權(quán)利要求
1.一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，依次包括InP襯底、n型InP緩沖層，張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)、p型InP包層、p型InGaAs接觸層，其頂層和底層附有電極，其特征在于張應(yīng)變有源區(qū)的材料為AlGaInAs。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，依次包括InP襯底、n型InP緩沖層，張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)、p型InP包層、p型InGaAs接觸層，其頂層和底層附有電極，其特征在于張應(yīng)變有源區(qū)的材料為AlGaInAs。本發(fā)明在光放大器有源區(qū)采用AlGaInAs材料，能更有效地阻止電子穿越勢壘層泄漏，改善器件的高溫特性。本發(fā)明偏振靈敏度底，溫度特性好，可以廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)、光子集成和光電子集成。
文檔編號(hào)H01S5/343GK1564407SQ200410012960
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者馬宏, 陳四海, 賴建軍, 易新建 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)