專利名稱：帶水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種光放大器。尤其是，本發(fā)明涉及到一種帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器以及制造增益鉗制半導體光放大器的方法，其中用于增益鉗制的激光振蕩方向與信號的放大方向不同。
背景技術：
在通常的光學通訊系統(tǒng)中，當由發(fā)射器發(fā)射的光沿著光傳輸線路傳播時，會發(fā)生傳輸損耗，因而到達接收器的信號減弱。當到達接收器的光的功率小于預定值時，由于接收錯誤會使正常的光學通信無法執(zhí)行。因此，在發(fā)射器和接收器之間提供了一個光放大器以對光進行放大，進而補償了沿著光傳輸路線發(fā)射的光的傳輸損耗，并使要被發(fā)射的光沒有一點兒錯誤地達到一個更遠的距離。
這樣的光放大器包括摻鉺光纖放大器(下文中被稱作EDFA)，一個Raman(喇曼)放大器，以及一個半導體光放大器(下文中被稱作SOA)。
EDFA使用一種摻雜了稀土元素(例如，鉺)的光纖用于放大，具有高增益特性，低噪聲系數(NF)，以及高飽和輸出功率，因此EDFA廣泛地用于中樞網絡以及地下鐵道網絡。然而，EDFA的問題在于價格昂貴并且操作波長有限。
Raman放大器在光纖中使用Raman放大，是一種使用一種所謂的Raman放大現象對光進行放大的方法。根據Raman放大，當強光的泵浦入射到光纖時，由于受激Raman散射，在距離泵浦光的波長約100nm距離的較長波長側出現增益。具有上述增益的波長帶的光入射到受激的光纖，以使光被放大。Raman放大器可以通過適當設置用于Raman放大的泵浦光的波長來容易地調整放大帶，并且具有低噪聲系數。然而，Raman放大器的缺點在于它不僅具有非常低的光放大效率而且需要高價格的泵浦光源，因而增加了光放大器模塊的總體尺寸以及光放大器模塊的價格。
SOA使用半導體的增益特性并且可以根據半導體的帶隙來調整它的放大帶。SOA的優(yōu)點在于它的尺寸小(通常是幾個cm)，并且尤其不需要高價格的泵浦光源。
然而，SOA通常在低輸入功率時有一種增益飽和現象，并且在輸入信號的強度增加時增益值降低。因此，當具有大光功率的信號被輸入時，在信號放大的過程中輸入的信號失真，而被傳輸。
為了解決這種問題，提出了一種具有圖1所示結構的增益鉗制SOA。
圖1示出了一種傳統(tǒng)的增益鉗制半導體光放大器(增益鉗制SOA)100的結構。增益鉗制SOA100包括一個n-InP襯底101，一個InGaAsP無源波導層102，一個InP隔離片103，一個DBR晶格圖案104，一個有源層波導105，一個電流阻擋層106，一個p-InP包層107，一個用于降低歐姆接觸阻抗的p-InGaAs層108，一個氧化層109，一個上電極110，以及一個下電極111。
增益鉗制SOA100在要被放大的輸入信號的波長范圍以外的短波長里包括激光振蕩。增益鉗制SOA使用分布的布拉格反射晶格以固定諧振器內的載波密度，以便即使驅動電流增加也使光學增益保持恒定。
然而，在傳統(tǒng)的增益鉗制SOA里，存在一個問題，即信號的第一行進方向(圖1中“A”所示)與激光束的第二行進方向(圖1中“B”所示)相同以引起振蕩。因此，當幾個通道的信號被放大時，在振蕩波長與信號波長之間產生四波混合現象。而且，傳統(tǒng)的增益鉗制SOA還有另一個問題，即需要一個單獨的波長濾波器以清除激光的振蕩波長。

發(fā)明內容
相應地，在本發(fā)明的許多特征中，其中之一是它解決了上述問題。本發(fā)明提供了一種帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，其中激光的振蕩方向與信號的放大方向不同，以及本發(fā)明提供了一種制造增益鉗制半導體光放大器的方法。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，它包括一個增益層，用于放大光學信號；一個布拉格晶格層，沿著增益層的縱向形成于增益層的兩側，用于使具有相應波長的光在與增益層的縱向垂直的方向上諧振；一個無源光波導層，用于限制光在布拉格晶格層的晶格之間諧振；一個電極，用于提供電流給增益層；以及一個電流阻擋層，用于防止電流流到除增益層以外的區(qū)域。
優(yōu)選方式是，無源光波導層最好形成于布拉格晶格層的上面或下面或之上或之下。
更優(yōu)選方式是，增益鉗制半導體光放大器最好還包括一個相位變換區(qū)域，形成在布拉格晶格層的一側，以及一個相位變換電極，用于提供電流給相位變換區(qū)域。
為實現上述目的，根據本發(fā)明的一種實施方式，提供了一種用于制造帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器的方法，此方法包括如下步驟a)除了預定的增益層形成區(qū)域外，在第一導電的半導體襯底上，形成一個布拉格晶格層；b)在具有布拉格晶格層的第一導電的半導體襯底上，形成第一導電的下包層，一個光波導層，以及第一導電的上包層；c)在預定的增益層形成區(qū)域的第一導電的上包層上，形成一個增益層和第二個導電的包層；d)在沒有形成增益層的第一導電的上包層的預定區(qū)域上形成一個電流阻擋層；以及e)在第二個導電的包層和其上沒有形成電流阻擋層的第一導電的上包層的預定區(qū)域的上面或之上，形成一個電極，其形成方式是電極包圍著增益層。
為實現本發(fā)明的上述方面，提供了一種方法用于制造帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，此方法包括如下步驟a)在第一導電的半導體襯底上，形成一個增益材料層以及第二導電的下包層；b)在預先確定的增益層形成區(qū)域的第二導電的下包層上，形成一個掩模圖案，通過使用掩模圖案作為蝕刻掩模的可選擇的蝕刻過程，形成一個具有臺式結構的增益層，以及在第一導電的半導體襯底里與增益層的側壁相應的位置處，形成一個蝕刻溝槽；c)在蝕刻溝槽上形成一個電流阻擋層；d)在電流阻擋層上形成一個光波導層，它包括一種折射率高于第一導電的半導體襯底的材料；e)在光波導層上形成一個布拉格晶格層；f)在布拉格晶格層和增益層的整個表面上形成第二個導電的上包層；以及g)在第二個導電的上包層上形成一個電極，用于給增益層提供電流。


本發(fā)明的上述和其它目的，特征和優(yōu)點會在下面結合附圖的詳細描述中顯而易見，其中圖1是示出傳統(tǒng)的增益鉗制半導體光放大器結構的示意圖；圖2是示出根據本發(fā)明的一個方面的帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器的構造的視圖；圖3是沿圖2中I-I線的剖視圖；圖4a到4e是闡述根據本發(fā)明的一個方面的帶有水平激射結構的脊型增益鉗制半導體光放大器的制造過程的視圖；圖5是示出根據本發(fā)明的另一方面的帶有水平激射結構的隱埋異質結構增益鉗制半導體光放大器的構造的視圖；圖6a到6e是闡述根據本發(fā)明的又一方面的帶有水平激射結構的隱埋異質結構增益鉗制半導體光放大器的制造過程的視圖。
具體實施例方式
下文中，參照附圖描述本發(fā)明。相同的標號用于表示與其它圖形中相同的元件。在本發(fā)明的下面描述中，當已知的功能和構造可能會遮掩本發(fā)明的主題時，其詳細描述會被省略。
圖2是示出根據本發(fā)明的一個方面的帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器200的構造的視圖，圖3是沿圖2中I-I’線的剖視圖。增益鉗制半導體光放大器200(下文中被稱作增益鉗制SOA)包括一個半導體襯底201，一個布拉格(Bragg)晶格層202，一個n-InP下包層203，一個無源光波導層204，一個n-InP上包層205，一個增益層206，一個p-InP包層207，一個電流阻擋層208，一個電極209。除此之外，SOA200包括一個相位變換區(qū)域210和一個相位變換電極211。
布拉格晶格層202使具有相應波長的光在布拉格晶格層202的布拉格晶格之間諧振，以使布拉格激光振蕩沿水平方向產生。布拉格晶格層202形成于無源光波導層204之上或之下。在這種特殊情況下，布拉格晶格層202形成在無源光波導層204之下，但本領域的普通技術人員都明白布拉格晶格層也可以形成在無源光波導層之上。
為了限制由形成于布拉格晶格層202兩側的布拉格晶格引起諧振的模式的光學損失，并有效地執(zhí)行布拉格反射，無源光波導層204在布拉格晶格層202與增益層206之間提供高的光限制系數，并且其折射率高于半導體襯底201。
增益層206對輸入的光信號進行放大并且形成在n-InP上包層205的一部分上，在包層205下面沒有形成布拉格晶格層202。p-InP包層207形成在增益層206上。
電流阻擋層208防止電流流到除增益層206以外的區(qū)域，進而提高增益層206的電流效率。這樣的電流阻擋層208形成在增益層206的周邊區(qū)域以及n-InP上包層205除相位變換區(qū)域210以外的部分中。
電極209提供電流給增益層206并且形成在n-InP上包層205的一個較寬的區(qū)域上以在制造模塊時導線可以被容易地連接。
相位變換區(qū)域210通過激光波長調節(jié)來調整激光的臨界電流，進而調整增益鉗制SOA200的增益值。相位變換區(qū)域210可通過從布拉格晶格層202預定部分省略布拉格晶格來獲得。即，通過施加偏壓所產生的相位的變化取決于波導結構以及相位部分(phase section)的長度。因而，為了增加相位變換，必須省略更多的布拉格晶格。
相位變換電極211可以通過改變施加到相位變換區(qū)域210的電流或電壓來改變激光的振蕩波長。相位變換電極211形成在相位變換區(qū)域210的電流阻擋層208的上面，或者n-InP上包層205的上面。當激光的振蕩波長改變時，振蕩所需的驅動電流和電荷密度改變，這是因為增益區(qū)的增益曲線依波長而不同。結果，增益鉗制SOA200的增益值在要被放大的波長范圍內改變。
下文中描述具有水平激射結構的增益鉗制SOA200的操作。參照圖2和3，當泵浦電流注入到增益層206內時，會產生自發(fā)發(fā)射，所述自發(fā)發(fā)射導致從較高能級的第一傳導帶到較低能級的第二傳導帶的躍遷，以致由于躍遷到較低能級的價電子帶而發(fā)生受激發(fā)射。由增益層206的自發(fā)發(fā)射所產生的光的一部分被限制在無源光波導層204內。滿足布拉格晶格諧振條件的受限光的特定波長通過形成在無源光波導層204和增益層206以及增益層206的兩側之間的諧振間隔被重復地反饋。每當發(fā)生一次反饋，具有預定波長的光兩次通過增益層206以通過由于密度轉變(或數目轉變)而產生的受激發(fā)射來獲得增益。增益層206的增益與電流的增加成比例，以致由于在水平方向的一次反饋而使光增益大于光損失，并且發(fā)生振蕩。當開始發(fā)生這樣的振蕩時，增益層的電荷密度被鉗制，以致產生增益鉗制特征，其中即使驅動電流增加器件的增益也不會再增加。當電流持續(xù)增加超過振蕩電流時，增益不再增加，但只有振蕩波長的光強度會持續(xù)增加。此時，光在增益層206的縱向“A”被放大，并且在水平方向“B”發(fā)生激光振蕩。
圖4a到4e是闡述圖2所示的脊型增益鉗制SOA的制造過程的視圖。
首先，如圖4a所示，折射率與n-InP襯底201和n-InP下包層203不同的材料的材料層202’形成在n-InP襯底201上以在n-InP襯底201上形成布拉格晶格。
在圖4b中，布拉格晶格層202通過選擇性蝕刻方法形成在除了預定的增益層形成區(qū)域和相位變換區(qū)域210以外的n-InP襯底201上。在制造過程的這一階段，還沒有形成相位變換區(qū)域210，布拉格晶格層202可以形成在n-InP襯底201上除了增益層形成區(qū)域以外的區(qū)域。布拉格晶格層202可以以傳統(tǒng)的方式成形，除非某人考慮到使用在本發(fā)明中的晶格的數量和布置。在圖4c中，n-InP下包層203，無源光波導層204，n-InP上包層205，增益材料層206’，p-InP包層207順序地在之前形成的布拉格晶格層202以及n-InP下包層203上形成。增益材料層206’形成為一個整體結構或量子勢阱結構，并且可以通過根據輸入光信號的波長調整形成增益層的材料的成分比例或增益層206的厚度來調整放大帶。在圖4c中，虛線圓里的臺階形圖形表示組合材料層201到207的帶隙。此時，布拉格晶格層202可以形成在無源光波導層204的上面或下面。根據這個特殊的圖例，布拉格晶格層202形成在無源光波導層204的下面。而且，盡管沒有示出，也有可能增加蝕刻終止層形成步驟以形成脊型的波導。
參照圖4d，增益層206是通過使用SiO2掩?；騍iNx掩模的蝕刻過程來選擇性地蝕刻增益材料層206’而形成的。在選擇性蝕刻過程結束后，SiO2或SiNx電流阻擋層208形成在整個結構上。接下來，執(zhí)行光掩模過程和蝕刻過程以將注入了電流的增益區(qū)域暴露。之后，形成電極209。
如圖4e所示，相位變換電極211形成在電流阻擋層208上與相位變換區(qū)域210相應的區(qū)域。除此之外，電極212形成在n-InP襯底201的下側。
同時，根據本發(fā)明的帶有水平激射結構的增益鉗制SOA除了圖2中的脊型增益鉗制SOA200，也可以形成一種隱埋異質結構。
圖5示出了根據本發(fā)明的另一方面的帶有水平激射結構的隱埋異質結構增益鉗制半導體光放大器300的構造。
參照圖5，增益鉗制半導體光放大器300(下文中被稱作增益鉗制SOA)包括一個半導體襯底301，一個增益層302，一個p-InP上包層303，一個電流阻擋層309，一個光波導層310，一個p-InP上包層311，一個布拉格晶格層312，一個p-InP上包層313，一個絕緣層314，電極315和316。除此之外，SOA300還包括一個相位變換區(qū)域320和一個形成在相位變換區(qū)域320上的相位變換電極321。
帶有水平激射結構的隱埋異質結構增益鉗制SOA300的操作與圖2中的脊型增益鉗制SOA200相似，因此下面省略了它的詳細描述。
圖6a到6e是闡述具有圖5中的隱埋異質結構的增益鉗制SOA300的制造過程的視圖。
首先，如圖6a所示，增益材料層302’和p-InP包層303形成在n-InP襯底301上。
在圖6b中，掩模圖案304通過使用SiO2或SiNx掩模的蝕刻過程形成在與預定的增益層形成區(qū)域相應的p-InP包層303上。接下來，具有臺式結構的增益層302和蝕刻溝槽305通過使用掩模圖案304作為蝕刻掩模的蝕刻過程來選擇性地清除p-InP包層303，增益材料層302’，以及n-InP襯底301而形成。
在圖6c中，包括p-InP層306，n-InP層307，以及p-InP層308的電流阻擋層309形成在蝕刻溝槽305內。接下來，包括折射率高于n-InP襯底301的材料的光波導層310形成在電流阻擋層309上。接下來，薄的p-InP層311，折射率高于InP的材料層312’，以及薄的p-InP層313形成。此時，增益層302和光波導層310之間的間距最好在2μm內，這是為了增益層302和光波導層310之間的模式的光耦合。
在圖6d中，布拉格晶格312形成在除了相位變換區(qū)域320以外的區(qū)域上。與上述的先前的實施例相似，布拉格晶格312可以形成在光波導層310的上面或下面。根據這個特殊的圖例，布拉格晶格312形成在光波導層310的上面(但它也可以在光波導層310的下面)。而且，如果需要，相位變換區(qū)域320也可以不形成，并且形成布拉格晶格312的方法與用于通常的波長反饋激光的傳統(tǒng)方法相同。在圖6d中，虛線圓里的臺階形圖形表示電流阻擋層309，光波導層310，p-InP包層311，布拉格晶格312，以及p-InP包層313的帶隙。
參照圖6e，在上述構造的狀態(tài)，p-InP包層313再次形成，并且SiO2或SiNx絕緣層314沉積在p-InP包層313上。然后，在執(zhí)行了光掩模過程和蝕刻過程以暴露注入了電流的區(qū)域之后，電極315形成。除此之外，施加電流給相位變換區(qū)域320的電極321形成，并且電極316形成在n-InP襯底301的下側。在制造過程的這一階段，提供電流給增益層302的電極315以及提供電流給相位變換區(qū)域320的相位變換電極321單獨形成。
如上所述，根據帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，激光的振蕩方向與信號的放大方向不同(例如，看圖2中的方向“A”和“B”)。相應地，沒有必要帶有一個單獨的濾光器以清除用于增益鉗制的激光波長。而且，由于施加到相位變換器的電流或電壓的變化而使激光的振蕩波長改變，以使半導體光放大器的固定增益可以調整。
盡管參照優(yōu)選實施例示出和描述了本發(fā)明，但在不偏離權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可以對其在形式和細節(jié)上做各種變化，這對本領域的普通技術人員來說是容易理解的。
權利要求
1.一種帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，所述增益鉗制半導體光放大器包括增益層，所述增益層用于放大光信號；布拉格晶格層，所述布拉格晶格層沿增益層的縱向形成在增益層的兩側，所述布拉格層使具有相應波長的光沿與增益層的縱向垂直的方向諧振；無源光波導層，所述無源光波導層用于限制在布拉格晶格層的晶格之間諧振的光；電極，所述電極用于提供電流給增益層；以及電流阻擋層，所述電流阻擋層用于防止電流流到除增益層以外的區(qū)域。
2.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，其中無源光波導層形成在布拉格晶格層的上面或之上。
3.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，其中無源光波導層形成在布拉格晶格層的下面或之下。
4.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，還包括相位變換區(qū)域，所述相位變換區(qū)域形成在布拉格晶格層的一側。
5.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，其中相位變換區(qū)域通過從布拉格層省略布拉格晶格的預定部分來調節(jié)。
6.權利要求4的增益鉗制半導體光放大器，還包括用于提供電流給相位變換區(qū)域的相位變換電極。
7.權利要求5的增益鉗制半導體光放大器，還包括用于提供電流給相位變換區(qū)域的相位變換電極。
8.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，其中所述增益鉗制半導體光放大器包括脊型的增益鉗制半導體光放大器。
9.權利要求1的增益鉗制半導體光放大器，其中所述增益鉗制半導體光放大器具有隱埋異質結構。
10.一種用于制造帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器的方法，所述方法包括如下步驟a)除在預定的增益層形成區(qū)域上之外，在第一導電的半導體襯底上形成布拉格晶格層；b)在其上具有布拉格晶格層的第一導電的半導體襯底上，形成第一導電的下包層，光波導層，以及第一導電的上包層；c)在預定的增益層形成區(qū)域的第一導電的上包層上，形成增益層和第二導電的包層；d)在第一導電的上包層的沒有形成增益層的預定區(qū)域上，形成電流阻擋層；以及e)在其上沒有形成電流阻擋層的第一導電的上包層的預定區(qū)域和第二導電的包層的上面或之上，形成電極，其形成方式是電極圍繞增益層。
11.權利要求10的方法，其中在步驟a)，布拉格晶格層的預定部分沒有布拉格晶格以在其上形成相位變換區(qū)域。
12.權利要求11的方法，其中布拉格晶格的一部分被省略以調節(jié)相位變換的數量。
13.權利要求11的方法，還包括步驟形成用于施加電流給相位變換區(qū)域的相位變換電極。
14.權利要求11的方法，還包括步驟形成用于施加電壓給相位變換區(qū)域的相位變換電極。
15.一種用于制造帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器的方法，此方法包括如下步驟a)在第一導電的半導體襯底上，形成增益材料層以及第二導電的下包層；b)在預定的增益層形成區(qū)域的第二導電的下包層上，形成掩模圖案，通過使用掩模圖案作為蝕刻掩模的選擇性的蝕刻過程，形成具有臺面結構的增益層，以及在與增益層的側壁相應的第一導電的半導體襯底內的位置形成蝕刻溝槽；c)在蝕刻溝槽上形成電流阻擋層；d)在電流阻擋層上形成光波導層，所述光波導層包括折射率高于第一導電的半導體襯底的折射率的材料；e)在光波導層上形成布拉格晶格層；f)在布拉格晶格層和增益層的整個表面上形成第二導電的上包層；以及g)在第二導電的上包層上形成用于給增益層提供電流的電極。
16.權利要求15的方法，其中在步驟e)，從布拉格晶格層的沒有布拉格晶格的預定區(qū)域，執(zhí)行相位變換區(qū)域。
17.權利要求15的方法，還包括步驟形成用于給相位變換區(qū)域施加電流的相位變換電極。
18.權利要求15的方法，還包括步驟形成用于給相位變換區(qū)域施加電壓的相位變換電極。
19.權利要求15的方法，其中增益層與光波導層之間的間距實質上在2μm內。
20.權利要求15的方法，其中增益層與光波導層之間的間距近似為2μm。
全文摘要
一種帶有水平激射結構的增益鉗制半導體光放大器，其中激光的振蕩方向與信號的放大方向不同，以及制造增益鉗制半導體光放大器的方法。增益鉗制半導體光放大器包括增益層，用于放大光學信號。布拉格晶格層，沿著增益層的縱向形成于增益層的兩側，用于使具有相應波長的光在與增益層的縱向垂直的方向上諧振。無源光波導層，限制光在布拉格晶格層的晶格之間諧振。電極，提供電流給增益層，以及電流阻擋層，防止電流流到除增益層以外的區(qū)域。
文檔編號H01S5/20GK1585218SQ200410032128
公開日2005年2月23日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權日2003年8月20日
發(fā)明者李定錫, 姜重求, 黃星澤 申請人:三星電子株式會社