專利名稱：一種集成模斑變換器的脊型波導(dǎo)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)明涉及一種半導(dǎo)體光放大器，具體涉及一種脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、集成模斑變換器的偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器(SSC-SOA)。
背景技術(shù)：
偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器(SOA)作為光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件和光子集成(PIC)、光電子集成(OEIC)器件中的關(guān)鍵功能單元，將起到越來越重要的作用。發(fā)展光子集成和光電子集成器件的一個關(guān)鍵課題是光器件與波導(dǎo)或光纖的耦合技術(shù)，高耦合效率、高耦合對準(zhǔn)容差是其基本要求。因此，對于大多光電器件，包括半導(dǎo)體光放大器，與波導(dǎo)或光纖的耦合效率都是一個重要議題。在玻璃光纖中，由于其非常小的折射率差(Δn＜5×10-3)導(dǎo)致了弱導(dǎo)引光模式，且典型模斑尺寸為8-10μm；而在半導(dǎo)體波導(dǎo)器件中，如此小的折射率差只能靠半導(dǎo)體材料極其微小的組分變化來實現(xiàn)，這在實際工藝過程中具有極大的難度。通常，在半導(dǎo)體光電器件結(jié)構(gòu)中，Δn一般大于1×10-2，導(dǎo)致模斑尺寸小于2μm，并且，半導(dǎo)體激光器件的模斑形狀具有高度不對稱性，這將進一步引起半導(dǎo)體波導(dǎo)和光纖之間的模場不匹配性，顯而易見，光電器件與光纖的耦合損耗問題是在光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中必須考慮的問題之一。
有許多方法可用于提高波導(dǎo)或光纖與器件的耦合效率，如采用微透鏡或帶透鏡的拉錐光纖，但是，如果僅僅只是改變模斑尺寸而沒有改變模場形狀的話，這些方法始終存在模場不匹配的問題，同時，耦合對準(zhǔn)容差也無法提高，這就導(dǎo)致了光有源器件非常高的封裝成本，封裝成本有可能高達器件總成本的90％；另一種方法是在器件芯片和光纖之間插入一具有模場轉(zhuǎn)換功能的石英基波導(dǎo)。這種石英基波導(dǎo)技術(shù)允許芯層和覆蓋層之間的折射率差可以高達1×10-2，使模斑尺寸縮小以致能和半導(dǎo)體器件波導(dǎo)相匹配，這樣雖然能夠得到匹配的模場和較高的耦合效率，但是由于對準(zhǔn)容差依然無法得到有效的改善，因此，仍然無法降低有源光子器件的耦合難度和封裝成本。
為了在芯片端面得到大且對稱的近場光斑圖形，大量的研究工作集中在半導(dǎo)體光電子器件和模斑變換器(Spot-Size Converter-SSC)的單片集成技術(shù)上。最近的方案已經(jīng)能夠同時降低耦合損耗并提高耦合對準(zhǔn)容差，因而可以使封裝成本得到有效降低并能夠?qū)崿F(xiàn)光子集成(PIC)或光電子集成(OEIC)。模斑變換器(SSC)實際上就是錐形波導(dǎo)，所以錐形波導(dǎo)的設(shè)計決定了模斑變換器和器件的集成技術(shù)，在過去的幾年里，許多錐形波導(dǎo)的設(shè)計被報道，從錐形波導(dǎo)的設(shè)計可分為以下幾大類側(cè)向錐形波導(dǎo)、垂直方向錐形波導(dǎo)、混合型錐形波導(dǎo)(結(jié)合側(cè)向和垂直方向的錐形波導(dǎo))和特殊結(jié)構(gòu)錐形波導(dǎo)；從器件結(jié)構(gòu)可分為脊型波導(dǎo)(RWG)結(jié)構(gòu)和掩埋(BH)結(jié)構(gòu)。關(guān)于錐形波導(dǎo)的制作，對于脊型側(cè)向錐形波導(dǎo)，其制作工藝相對與其它錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來說較為簡單和直接，一般地采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、刻蝕等工藝就可以完成；對于垂直方向錐形波導(dǎo)和混合型錐形波導(dǎo)而言，其制作工藝較側(cè)向錐形波導(dǎo)要復(fù)雜得多，需要采用許多特殊的生長和刻蝕技術(shù)才能逐步改變波導(dǎo)層的厚度，對于大多數(shù)這類錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，常常需要多次外延才能完成，增加了材料生長的難度，同時也降低了器件的成品率。同樣，對于掩埋結(jié)構(gòu)器件而言，也需要多次外延才能完成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種集成模斑變換器的脊型波導(dǎo)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，該放大器結(jié)構(gòu)具有工藝簡單可靠，器件成品率高的優(yōu)點。
本發(fā)明提供的一種集成模斑變換器的脊型波導(dǎo)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、無源波導(dǎo)層、第二級寬脊波導(dǎo)、有源區(qū)、脊型波導(dǎo)，其頂層和低層設(shè)有電極，其特征在于在無源波導(dǎo)層與有源區(qū)之間設(shè)有第二級寬脊波導(dǎo)，所述脊型波導(dǎo)為側(cè)向錐形結(jié)構(gòu)，與第二級寬脊共同使光束遠(yuǎn)場與光纖遠(yuǎn)場匹配。
上述脊型波導(dǎo)分為三部分，脊寬分兩級側(cè)向減小。
本發(fā)明不僅具有工藝簡單可靠，器件成品率高的特點，而且其偏振靈敏度底，遠(yuǎn)場特性好，可得到近似圓形的遠(yuǎn)場光斑，與波導(dǎo)或光纖具有極高的耦合效率和耦合對準(zhǔn)容差。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)、光子集成和光電子集成。


圖1為集成模斑變換器的偏振無關(guān)光放大器(SSC-SOA)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為光纖在水平、垂直方向上和最佳耦合位置的偏移距離與相對耦合損耗的關(guān)系；圖3為集成模斑變換器的半導(dǎo)體光放大器遠(yuǎn)場圖；圖4為200mA電流下，光放大器的增益譜；圖5為集成模斑變換器的偏振無關(guān)光放大器的飽和特性。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖、以1.55μm波長的實例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，InP襯底1；n型InP緩沖層2；1.05μm波長的無源波導(dǎo)層3；n型第二級寬脊波導(dǎo)4；有源區(qū)5；脊型波導(dǎo)6，其形狀為錐形。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)采用張應(yīng)變體材料結(jié)構(gòu)，材料為InGaAsP，厚度0.12μm，張應(yīng)變量為-0.12％；采用目前成熟的分別限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)(SCH)；上下波導(dǎo)層均采用波長為1.28μm的InGaAsP匹配材料，厚度均為0.1μm；襯底為n型InP材料。我們制作的集成器件采用脊型側(cè)向錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，外延工藝一次完成，制作工藝類似與常規(guī)脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件，這種結(jié)構(gòu)的好處是制作錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時不會腐蝕有源區(qū)，并且由于我們已經(jīng)制作出脊型波導(dǎo)偏振無關(guān)半導(dǎo)體光放大器，因此可降低工藝難度并有利于保持工藝的一貫性和可靠性，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。脊型波導(dǎo)6的錐形可以由一、二或三部分構(gòu)成，只要該錐形結(jié)構(gòu)的脊型波導(dǎo)能夠減小光束遠(yuǎn)場發(fā)散角，并得到一近似圓形光斑，使其遠(yuǎn)場盡可能與光纖遠(yuǎn)場匹配即可，這樣可以提高半導(dǎo)體光放大器與光纖的耦合效率與耦合容差。根據(jù)這一要求，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以根據(jù)多種方法具體計算錐形的尺寸，如三維BMP方法或FEM方法。下面以三部分的結(jié)構(gòu)為例加以具體說明，如圖1.2所示，頂部脊型波導(dǎo)，其寬度W從2.8μm寬逐步側(cè)向形成錐形結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)尖端寬度We為0.6μm，整個頂部錐形脊型波導(dǎo)包括三部分，如圖1中L1、L2和Ltip(取L1＝80μm、L2＝300μm、Ltip＝100μm)；隨著脊波導(dǎo)寬度逐漸減小，光場將被逐步擠壓出有源區(qū)5進入第二級寬脊波導(dǎo)4并耦合進下方0.05μm厚、波長為1.05μm的無源波導(dǎo)層3，該波導(dǎo)層位于有源區(qū)下方2μm處，光場的側(cè)向限制由寬度為7μm的第二級寬脊波導(dǎo)4提供。
1.55μm波長脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成模斑變換器的偏振無關(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，然后用氮氣槍吹干，備用。
(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型低壓金屬有機化學(xué)氣相外延設(shè)備(LP-MOVPE)，具有REALTEMP實時溫度監(jiān)控裝置和獨特的TURBODISC技術(shù)，生長時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)鈀管擴散后的氫氣。為了獲得高質(zhì)量的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，需要一套優(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。表1為優(yōu)化的MOCVD生長參數(shù)。材料生長由MOVPE材料生長工藝一次完成，生長次序如圖1所示，依次為在2英寸的n型InP襯底上先生長1μm厚的n-InP緩沖層，然后生長0.05μm厚的1.05μm波長n型InGaAsP無源波導(dǎo)、2μm厚n型InP、有源區(qū)、1.5μm厚p型InP和0.3μm厚重p型摻雜InGaAs接觸層。
表1 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) 70Torr生長溫度(T)610℃V/III比＞200生長速率(R)0.24nm/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，用干法刻蝕和濕法腐蝕相結(jié)合的方法腐蝕出頂部的側(cè)向錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下面的寬脊結(jié)構(gòu)。脊寬采用從2.8μm分兩級逐步側(cè)向錐形減小為0.6μm，總腔長為1610μm(其中，兩端錐形波導(dǎo)區(qū)各480μm，中間2.8μm寬均勻脊型波導(dǎo)區(qū)為650μm)。
(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時監(jiān)控裝置，保證最終光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。
管芯制作完成后，先不進行腔面減反膜鍍膜處理，加電后管芯將以激光器方式工作，因為我們制作集成器件的主要目的是提高管芯與光纖的耦合效率以及對準(zhǔn)容差，所以在激光器方式下進行測試我們以為更能代表其耦合特性，采用9μm芯徑的平頭標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)，光纖端面進行鍍減反(AR)膜處理，以抑制光纖平頭端面與器件端面的反饋；光纖固定在M&G納米級精密自動多維微動平臺上，平臺的移動由計算機控制。經(jīng)測試得到集成模斑變換器的光放大器器件管芯與平頭單模光纖的耦合損耗約為2.6dB；一般地，未集成模斑變換器的半導(dǎo)體激光器或放大器與平頭單模光纖的耦合損耗為8.5dB～10dB，可見，集成模斑變換器后，器件與光纖的耦合效率有了極大的提高。同時可以測得，側(cè)向的耦合對準(zhǔn)容差為水平方向±2.3μm，垂直方向±1.6μm，測試結(jié)果見圖2，(圖2中曲線a代表水平方向，曲線b代表垂直方向)。設(shè)計制作模斑變換器目的是為了減小半導(dǎo)體光放大器的光束發(fā)散角，尤其是垂直方向的發(fā)散角并盡可能使器件的遠(yuǎn)場光斑為圓形；使用美國PHOTON公司生產(chǎn)的LD8900R型遠(yuǎn)場測試儀對制作的集成模斑變換器件的遠(yuǎn)場特性進行了測試；保持器件工作溫度為25℃，驅(qū)動電流120mA，測試結(jié)果如圖3所示(圖3.1中曲線c代表水平方向，圖3.2中曲線d代表垂直方向)。遠(yuǎn)場圖中，曲線的半峰寬(FWHM)即為遠(yuǎn)場發(fā)散角的大小，從圖3中可以看到，集成了模斑變換器的光放大器的遠(yuǎn)場發(fā)散角僅為12°×15°，光斑圖形已接近圓形，這將導(dǎo)致器件與光纖的耦合效率大為提高，并顯著增大耦合對準(zhǔn)容差，這一結(jié)果從我們的耦合特性實驗中已經(jīng)得到證實。
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時監(jiān)控裝置，保證最終光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。測試器件的增益特性、偏振相關(guān)性和飽和特性。圖4為150mA和200mA電流下，光放大器的增益譜，測試中，保持輸入光信號功率為-25dBm；從圖中可以看到，在1.54μm波長處，200mA電流下，光放大器管芯的增益約為25.5dB，同時，整個波長范圍內(nèi)(1510nm～1590nm)的增益的偏振相關(guān)度始終保持在0.5dB以下，這說明，集成模斑變換器的半導(dǎo)體光放大器已具備偏振無關(guān)性；在光放大器中，信號增益是輸入信號光功率的函數(shù)，在高輸入光功率情況下，由于增益飽和效應(yīng)會使增益降低，因此輸出功率會受此飽和效應(yīng)的限制，在需要高功率工作的情況下，如作為后置功率放大器、多信道放大器時，信號的增益飽和特性就十分重要。對于半導(dǎo)體光放大器，總是希望有盡可能高的飽和輸出功率，在討論增益飽和時，考慮入射光的波長與峰值增益對應(yīng)的波長一致，選取入射信號光波長為1540nm，分別在驅(qū)動電流為150mA和200mA時，不斷變化入射光功率值，測出輸出信號增益與輸出功率之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。通常，飽和輸出功率Psat定義為信號增益從它的飽和值下降3dB時所對應(yīng)的光放大器的輸出功率。從圖中，我們可以看出，該樣品的飽和輸出功率為11.2dBm。
權(quán)利要求
1.一種集成模斑變換器的脊型波導(dǎo)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、無源波導(dǎo)層、有源區(qū)、脊型波導(dǎo)，其頂層和低層設(shè)有電極，其特征在于在無源波導(dǎo)層(3)與有源區(qū)(5)之間設(shè)有第二級寬脊波導(dǎo)(4)，所述脊型波導(dǎo)(6)為側(cè)向錐形結(jié)構(gòu)，與第二級寬脊波導(dǎo)(4)共同使光束遠(yuǎn)場與光纖遠(yuǎn)場匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光放大器，其特征在于所述脊型波導(dǎo)(6)分為三部分，脊寬分兩級側(cè)向減小。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成模斑變換器的脊型波導(dǎo)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、無源波導(dǎo)層、有源區(qū)、脊型波導(dǎo)，其頂層和低層設(shè)有電極，其特征在于在無源波導(dǎo)層與有源區(qū)之間設(shè)有第二級寬脊波導(dǎo)，所述脊型波導(dǎo)為側(cè)向錐形結(jié)構(gòu)，與第二級寬脊波導(dǎo)共同使光束遠(yuǎn)場與光纖遠(yuǎn)場匹配。上述脊型波導(dǎo)分為三部分，脊寬分兩級側(cè)向減小。本發(fā)明不僅具有工藝簡單可靠，器件成品率高的特點，而且其偏振靈敏度底，遠(yuǎn)場特性好，可得到近似圓形的遠(yuǎn)場光斑，與波導(dǎo)或光纖具有極高的耦合效率和耦合對準(zhǔn)容差。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)、光子集成和光電子集成。
文檔編號H01S5/22GK1564406SQ20041001296
公開日2005年1月12日 申請日期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 申請人:華中科技大學(xué)