專(zhuān)利名稱(chēng)：準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作工藝簡(jiǎn)單的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器(SOA)集成模斑轉(zhuǎn)換器(SSC)。尤其是較小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角可以提高器件與光纖的耦合效率從而獲得較大的光纖到光纖增益，較小的限制因子可以得到較大的飽和輸出功率，可用于光纖通信S波段，C波段的光放大，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等。
背景技術(shù)：
目前，為了增加SOA的模斑尺寸，減小發(fā)散角，通常采用SOA集成SSC，而在水平和垂直方向形成taper結(jié)構(gòu)需要多次外延(Journal of SelectedTopics in Quantum Elec.，Vol.3，No.6，Dec.1997 pp 1308-1320)，這樣增加了器件的制作的復(fù)雜性及成本，此外，SOA與垂直taper交界處存在損耗。
當(dāng)窄帶隙有源區(qū)材料的厚度薄到可以和電子的德布羅意波長(zhǎng)相比擬時(shí)，將產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，形成分立的子能級(jí)，這樣的有源區(qū)就是量子阱有源區(qū)。量子阱足夠薄時(shí)，能級(jí)的量子化才會(huì)明顯，一般器件量子阱厚度在6-12nm。而厚度在20-50nm之間，量子尺寸效應(yīng)不明顯，但又不是體材料，其特性介于兩者之間，由于其更趨向于量子阱，所以稱(chēng)其為準(zhǔn)量子阱。
為什么采用準(zhǔn)量子阱有源區(qū)為了實(shí)現(xiàn)SOA偏振不靈敏，需要引入張應(yīng)變，張應(yīng)變量子阱SOA存在著以下的問(wèn)題1、張應(yīng)變使輕空穴上移超過(guò)重空穴，而量子尺寸效應(yīng)又有相反的效果，所以最終輕空穴和重空穴帶并不能分開(kāi)，甚至簡(jiǎn)并，這是SOA設(shè)計(jì)所不希望的；2、量子阱很難做到在很寬的帶寬內(nèi)的偏振不靈敏；3、在大注入時(shí)，量子阱的高階子帶參與躍遷，雖然帶寬會(huì)增加，但增益會(huì)變得不平坦；4、張應(yīng)變銦鎵砷(InGaAs)量子阱的組分及量子尺寸效應(yīng)都使增益峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，較難實(shí)現(xiàn)C波段的放大。
因而，現(xiàn)在一般很少采用張應(yīng)變InGaAs量子阱制作SOA。
對(duì)于體材料有源層，其優(yōu)點(diǎn)是材料增益相同，有大的光學(xué)限制因子和內(nèi)部增益，生長(zhǎng)容易控制，且只需調(diào)整光學(xué)限制因子，可以做到大帶寬內(nèi)偏振不靈敏。但是高質(zhì)量的張應(yīng)變體材料不易生長(zhǎng)。此外，由于體材料的限制因子較大，載流子壽命較長(zhǎng)使得SOA的飽和輸出功率較低。體材料對(duì)高速調(diào)制信號(hào)放大的特性以及制作光開(kāi)關(guān)也會(huì)稍遜于量子阱材料。
而采用準(zhǔn)量子阱可以有一個(gè)折中的效果。實(shí)驗(yàn)表明約40nm的張應(yīng)變準(zhǔn)量子阱InGaAs有源層的X-ray特性和光致發(fā)光譜(PL)譜都很好，器件正在制作中。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)有源層厚度在37nm附近有較大峰值增益和較寬的增益譜。我們已經(jīng)采用60nm的薄層體材料有源層制作出性能很好的SOA，現(xiàn)在進(jìn)一步減薄有源層，預(yù)計(jì)可以得到更寬的帶寬，同時(shí)減薄上下波導(dǎo)層厚度，使得限制因子減小，從而提高SOA的飽和輸出功率和較小的垂直遠(yuǎn)場(chǎng)角。而采用的SSC電極使增益增加，同時(shí)獲得較小的水平遠(yuǎn)場(chǎng)角。限制因子減小使得模式增益降低通過(guò)SSC電極和增加SOA長(zhǎng)度來(lái)補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其可以減少工藝復(fù)雜性，降低成本，減小SOA與SSC交界處損耗，該器件只需一次外延生長(zhǎng)，工藝簡(jiǎn)單，避免了垂直方向模斑尺寸轉(zhuǎn)換的損耗。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明一種準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中包括一銦磷襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在銦磷襯底上，以便消除銦磷襯底上的微缺陷；一下波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在緩沖層上；一準(zhǔn)量子阱有源區(qū)，該準(zhǔn)量子阱有源區(qū)制作在波導(dǎo)層上，以實(shí)現(xiàn)寬帶增益；
一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層制作在準(zhǔn)量子阱有源區(qū)上；一包層，該包層制作在上波導(dǎo)層上；一接觸層，該接觸層制作在包層上；該包層、接觸層形成帶模斑轉(zhuǎn)換器的脊形波導(dǎo)。
其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)是半導(dǎo)體光放大器的光增益區(qū)。
其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)的材料是銦鎵砷，其張應(yīng)變量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之間。
其中上下波導(dǎo)層的材料為銦鎵砷磷，其厚度在20-50nm之間，帶隙波長(zhǎng)在1.2μm-1.3μm。
其中所述的脊形波導(dǎo)制作成水平方向模斑轉(zhuǎn)換器，該脊形波導(dǎo)的中間為等寬的條形，其兩端為楔形或扇形或一端為扇形，另一端為楔形。
其中該脊形波導(dǎo)中間條形的長(zhǎng)度為800μm-3000μm之間，寬度為2μm-4μm之間，兩端的長(zhǎng)度為150μm-300μm之間。
其中脊形波導(dǎo)扇形的開(kāi)口的寬度為6μm-12μm之間，楔形的開(kāi)口的寬度為0.5μm-1μm之間。
本發(fā)明的有益效果是采用張應(yīng)變InGaAs材料準(zhǔn)量子阱有源區(qū)及薄層波導(dǎo)的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用楔形和扇形的水平taper結(jié)構(gòu)SSC。張應(yīng)變InGaAs材料準(zhǔn)量子阱有源區(qū)實(shí)現(xiàn)SOA對(duì)TE模和TM模偏振不靈敏，并具有較寬的增益帶寬和較好的增益平坦性。準(zhǔn)量子阱有源區(qū)及薄層波導(dǎo)可以獲得較小的光限制因子從而獲得較大的模式厚度和較小的垂直遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，這樣做實(shí)際上是通過(guò)降低器件的模式增益來(lái)獲得垂直taper型SSC的效果，因而沒(méi)有垂直方向模斑尺寸轉(zhuǎn)換的損耗。兩側(cè)采用楔形和扇形的水平SSC結(jié)構(gòu)，減小水平發(fā)散角。
1)可以獲得水平、垂直方向較小的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，垂直方向計(jì)算得到14.5。的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角；水平方向?qū)嶒?yàn)得到8.5。的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角；2)由于采用準(zhǔn)量子阱有源區(qū)，可以獲得寬而平坦的增益譜，即具有寬帶寬和較好的增益平坦性；3)較小的的光限制因子可以得到較大的飽和輸出功率；4)工藝簡(jiǎn)單，可提高器件可靠性。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，其中圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的俯視示意圖。
圖3是計(jì)算得到的SOA的垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。
圖4是測(cè)試得到的集成SSC后水平遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖。
圖5是計(jì)算得到的材料增益譜。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其中包括一銦磷襯底10；
一緩沖層11，該緩沖層11制作在銦磷襯底10上，以便消除銦磷襯底上的微缺陷；一下波導(dǎo)層12，該波導(dǎo)層12制作在緩沖層11上；一準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13，該準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13制作在波導(dǎo)層12上，以便實(shí)現(xiàn)寬帶增益；其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13是半導(dǎo)體光放大器的光增益區(qū)；其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13的材料是銦鎵砷，其張應(yīng)變量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之間；一上波導(dǎo)層14，該上波導(dǎo)層14制作在準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13上；其中上下波導(dǎo)層14、12的材料為銦鎵砷磷，其厚度在20-50nm之間，帶隙波長(zhǎng)在1.2μm-1.3μm；一包層15，該包層15制作在上波導(dǎo)層14上；一接觸層16，該接觸層16制作在包層15上；該包層15、接觸層16形成帶模斑轉(zhuǎn)換器的脊形波導(dǎo)17；其中所述的脊形波導(dǎo)17制作成水平方向模斑轉(zhuǎn)換器，該脊形波導(dǎo)17的中間為等寬的條形，其兩端為楔形或扇形或一端為扇形，另一端為楔形；其中該脊形波導(dǎo)17中間條形的長(zhǎng)度為800μm-3000μm之間，寬度為2μm-4μm之間，兩端的長(zhǎng)度為150μm-300μm之間；其中脊形波導(dǎo)17扇形的開(kāi)口的寬度為6μm-12μm之間，楔形的開(kāi)口的寬度為0.5μm-1μm之間。
圖1準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)SOA器件生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)圖，本征InxGa1-xAs準(zhǔn)量子阱有源區(qū)的張應(yīng)變量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之間。本征InGaAsP四元波導(dǎo)層，厚度在20-50nm之間，帶隙在1.2eV-1.3eV。P-InP包層厚度在2000nm-3000nm之間，這樣的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在獲得盡可能大的模場(chǎng)尺寸的同時(shí)減小在重?fù)诫s接觸層的吸收損耗。0.3-0.5％的張應(yīng)變使得器件實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏。
圖1中，P-InP包層中可以加入一層較薄的四元層，這樣能夠在不增大發(fā)散角的同時(shí)，優(yōu)化光限制因子，還可以避免消失場(chǎng)進(jìn)入接觸層中。
圖2所示的三種SOA集成SSC的俯視示意圖，通過(guò)taper形狀電極版直接腐蝕的方法進(jìn)行制備。中間部分是SOA，兩側(cè)是水平taper結(jié)構(gòu)的SSC。SOA的長(zhǎng)度L1在800μm-3000μm之間，兩側(cè)SSC的長(zhǎng)度L2，L3在150μm-300μm之間。SOA的條寬W1在2μm-4μm之間。扇形taper的端口W2在6μm-12μm之間，楔形taper的端口W3在0.5μm-1μm之間。
圖2(c)中采用逐級(jí)變寬的SOA集成SSC結(jié)構(gòu)，左側(cè)SSC設(shè)計(jì)成錐形，有利于輸入光的耦合，經(jīng)過(guò)SOA的放大后，進(jìn)入右側(cè)SSC，右側(cè)SSC設(shè)計(jì)成扇形，可以提高輸出光的功率，進(jìn)一步增加飽和輸出功率。
圖1所示結(jié)構(gòu)的SOA，InxGa1-xAs準(zhǔn)量子阱有源區(qū)厚度取35nm，x取0.485，InGaAsP波導(dǎo)層厚度取20nm，帶隙取1.2eV，計(jì)算得到的垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖如圖3所示，半峰值全寬度(FWHM)為14.5°，TE模限制因子2.85％。
圖4是集成扇形SSC后測(cè)試得到的水平遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖，F(xiàn)WHM為8.5°，其中L2＝L3＝200μm，W1＝3μm，W2＝8μm。
圖5中計(jì)算材料增益譜所選用的有源區(qū)參數(shù)為In0.485Ga0.515As，張應(yīng)變量為0.32％，厚度為37nm，注入載流子密度為2×1018/cm3，波導(dǎo)層為InGa.2155As.4685P。圖中可見(jiàn)準(zhǔn)量子阱材料具有較寬的增益帶寬及增益平坦性，增益譜覆蓋光纖通信的S波段，C波段。TM模材料峰值增益略大于TE模材料峰值增益，而TE模光限制因子略大于TM模光限制因子，因此可以獲得相近的TE模與TM模的模式增益，從而實(shí)現(xiàn)偏振不靈敏性。
實(shí)施例(1)參閱圖1，在InP銦磷襯底10上一次性依次外延生長(zhǎng)N型InP緩沖層11，本征InGaAsP下波導(dǎo)層12，本征InxGa1-xAs張應(yīng)變準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13，本征InGaAsP上波導(dǎo)層14，P型InP包層15，P型InGaAs接觸層16。
本征InxGa1-xAs準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13的張應(yīng)變量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之間。本征InGaAsP波導(dǎo)層14，厚度在20-50nm之間，帶隙波長(zhǎng)在1.2μm-1.3μm。P-InP包層15厚度在2000nm-3000nm之間。
具體實(shí)例取InxGa1-xAs準(zhǔn)量子阱有源區(qū)13厚度37nm，x＝0.485，張應(yīng)變量為0.32％，InGaAsP波導(dǎo)層14厚度取20nm，帶隙波長(zhǎng)為1.2μm，P-InP包層厚度2500nm。
(2)通過(guò)如圖2所示的taper形狀電極版直接光刻腐蝕制備水平方向SSC。
參閱圖2三種SOA集成SSC的頂視示意圖，中間部分是準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)SOA，兩側(cè)是水平taper結(jié)構(gòu)的SSC。SOA的長(zhǎng)度L1在800μm-3000μm之間，兩側(cè)SSC的長(zhǎng)度L2，L3在150μm-300μm之間。SOA的條寬W1在2μm-4μm之間。扇形taper的端口W2在6μm-12μm之間，楔形taper的端口W3在0.5μm-1μm之間。
圖2(c)中采用逐級(jí)變寬的SOA集成SSC結(jié)構(gòu)，左側(cè)SSC設(shè)計(jì)成錐形，右側(cè)SSC設(shè)計(jì)成扇形，可以提高輸出光的功率，進(jìn)一步增加飽和輸出功率。
具體實(shí)例取L1＝1500μm，L2＝L3＝200μm，W1＝3μm，W2＝8μm，W3＝1μm。
(3)P面上生長(zhǎng)一層SiO2做掩膜，光刻出電極圖形，然后制作正面和背面金屬電極，形成歐姆接觸。
(4)解理出SOA集成SSC的條后兩端面鍍抗反膜。
光從光纖耦合入楔形SSC，經(jīng)過(guò)SOA的放大后，進(jìn)入另一側(cè)的扇形SSC，并從扇形SSC的輸出端耦合入光纖，這樣可以減小光纖的耦合損耗，提高輸出光的功率，進(jìn)一步增加飽和輸出功率。這種逐級(jí)變寬的結(jié)構(gòu)也可以用于電吸收調(diào)制器(EA)與SSC集成的設(shè)計(jì)以及其他光電子器件與SSC集成的設(shè)計(jì)。
該結(jié)構(gòu)也適用于掩埋異質(zhì)(BH)結(jié)構(gòu)的制作。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中包括一銦磷襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在銦磷襯底上，以便消除銦磷襯底上的微缺陷；一下波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在緩沖層上；一準(zhǔn)量子阱有源區(qū)，該準(zhǔn)量子阱有源區(qū)制作在波導(dǎo)層上，以實(shí)現(xiàn)寬帶增益；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層制作在準(zhǔn)量子阱有源區(qū)上；一包層，該包層制作在上波導(dǎo)層上；一接觸層，該接觸層制作在包層上；該包層、接觸層形成帶模斑轉(zhuǎn)換器的脊形波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)是半導(dǎo)體光放大器的光增益區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中準(zhǔn)量子阱有源區(qū)的材料是銦鎵砷，其張應(yīng)變量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中上下波導(dǎo)層的材料為銦鎵砷磷，其厚度在20-50nm之間，帶隙波長(zhǎng)在1.2μm-1.3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述的脊形波導(dǎo)制作成水平方向模斑轉(zhuǎn)換器，該脊形波導(dǎo)的中間為等寬的條形，其兩端為楔形或扇形或一端為扇形，另一端為楔形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中該脊形波導(dǎo)中間條形的長(zhǎng)度為800μm-3000μm之間，寬度為2μm-4μm之間，兩端的長(zhǎng)度為150μm-300μm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中脊形波導(dǎo)扇形的開(kāi)口的寬度為6μm-12μm之間，楔形的開(kāi)口的寬度為0.5μm-1μm之間。
全文摘要
一種準(zhǔn)量子阱有源區(qū)、薄層波導(dǎo)半導(dǎo)體光放大器集成模斑轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中包括一銦磷襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在銦磷襯底上，以便消除銦磷襯底上的微缺陷；一下波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在緩沖層上；一準(zhǔn)量子阱有源區(qū)，該準(zhǔn)量子阱有源區(qū)制作在波導(dǎo)層上，以實(shí)現(xiàn)寬帶增益；一上波導(dǎo)層，該上波導(dǎo)層制作在準(zhǔn)量子阱有源區(qū)上；一包層，該包層制作在上波導(dǎo)層上；一接觸層，該接觸層制作在包層上；該包層、接觸層形成帶模斑轉(zhuǎn)換器的脊形波導(dǎo)。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1713472SQ20041005000
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者丁穎, 王圩, 王書(shū)學(xué), 朱洪亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所