专利名称：准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制作工艺简单的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器(SOA)集成模斑转换器(SSC)。尤其是较小的远场发散角可以提高器件与光纤的耦合效率从而获得较大的光纤到光纤增益，较小的限制因子可以得到较大的饱和输出功率，可用于光纤通信S波段，C波段的光放大，波长转换等。
背景技术：
目前，为了增加SOA的模斑尺寸，减小发散角，通常采用SOA集成SSC，而在水平和垂直方向形成taper结构需要多次外延(Journal of SelectedTopics in Quantum Elec.，Vol.3，No.6，Dec.1997 pp 1308-1320)，这样增加了器件的制作的复杂性及成本，此外，SOA与垂直taper交界处存在损耗。
当窄带隙有源区材料的厚度薄到可以和电子的德布罗意波长相比拟时，将产生量子尺寸效应，形成分立的子能级，这样的有源区就是量子阱有源区。量子阱足够薄时，能级的量子化才会明显，一般器件量子阱厚度在6-12nm。而厚度在20-50nm之间，量子尺寸效应不明显，但又不是体材料，其特性介于两者之间，由于其更趋向于量子阱，所以称其为准量子阱。
为什么采用准量子阱有源区为了实现SOA偏振不灵敏，需要引入张应变，张应变量子阱SOA存在着以下的问题1、张应变使轻空穴上移超过重空穴，而量子尺寸效应又有相反的效果，所以最终轻空穴和重空穴带并不能分开，甚至简并，这是SOA设计所不希望的；2、量子阱很难做到在很宽的带宽内的偏振不灵敏；3、在大注入时，量子阱的高阶子带参与跃迁，虽然带宽会增加，但增益会变得不平坦；4、张应变铟镓砷(InGaAs)量子阱的组分及量子尺寸效应都使增益峰值波长向短波方向移动，较难实现C波段的放大。
因而，现在一般很少采用张应变InGaAs量子阱制作SOA。
对于体材料有源层，其优点是材料增益相同，有大的光学限制因子和内部增益，生长容易控制，且只需调整光学限制因子，可以做到大带宽内偏振不灵敏。但是高质量的张应变体材料不易生长。此外，由于体材料的限制因子较大，载流子寿命较长使得SOA的饱和输出功率较低。体材料对高速调制信号放大的特性以及制作光开关也会稍逊于量子阱材料。
而采用准量子阱可以有一个折中的效果。实验表明约40nm的张应变准量子阱InGaAs有源层的X-ray特性和光致发光谱(PL)谱都很好，器件正在制作中。理论计算发现有源层厚度在37nm附近有较大峰值增益和较宽的增益谱。我们已经采用60nm的薄层体材料有源层制作出性能很好的SOA，现在进一步减薄有源层，预计可以得到更宽的带宽，同时减薄上下波导层厚度，使得限制因子减小，从而提高SOA的饱和输出功率和较小的垂直远场角。而采用的SSC电极使增益增加，同时获得较小的水平远场角。限制因子减小使得模式增益降低通过SSC电极和增加SOA长度来补偿。
发明内容
本发明提供一种准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其可以减少工艺复杂性，降低成本，减小SOA与SSC交界处损耗，该器件只需一次外延生长，工艺简单，避免了垂直方向模斑尺寸转换的损耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明一种准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中包括一铟磷衬底；一缓冲层，该缓冲层制作在铟磷衬底上，以便消除铟磷衬底上的微缺陷；一下波导层，该波导层制作在缓冲层上；一准量子阱有源区，该准量子阱有源区制作在波导层上，以实现宽带增益；
一上波导层，该上波导层制作在准量子阱有源区上；一包层，该包层制作在上波导层上；一接触层，该接触层制作在包层上；该包层、接触层形成带模斑转换器的脊形波导。
其中准量子阱有源区是半导体光放大器的光增益区。
其中准量子阱有源区的材料是铟镓砷，其张应变量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之间。
其中上下波导层的材料为铟镓砷磷，其厚度在20-50nm之间，带隙波长在1.2μm-1.3μm。
其中所述的脊形波导制作成水平方向模斑转换器，该脊形波导的中间为等宽的条形，其两端为楔形或扇形或一端为扇形，另一端为楔形。
其中该脊形波导中间条形的长度为800μm-3000μm之间，宽度为2μm-4μm之间，两端的长度为150μm-300μm之间。
其中脊形波导扇形的开口的宽度为6μm-12μm之间，楔形的开口的宽度为0.5μm-1μm之间。
本发明的有益效果是采用张应变InGaAs材料准量子阱有源区及薄层波导的外延生长结构，两侧采用楔形和扇形的水平taper结构SSC。张应变InGaAs材料准量子阱有源区实现SOA对TE模和TM模偏振不灵敏，并具有较宽的增益带宽和较好的增益平坦性。准量子阱有源区及薄层波导可以获得较小的光限制因子从而获得较大的模式厚度和较小的垂直远场发散角，这样做实际上是通过降低器件的模式增益来获得垂直taper型SSC的效果，因而没有垂直方向模斑尺寸转换的损耗。两侧采用楔形和扇形的水平SSC结构，减小水平发散角。
1)可以获得水平、垂直方向较小的远场发散角，垂直方向计算得到14.5。的远场发散角；水平方向实验得到8.5。的远场发散角；2)由于采用准量子阱有源区，可以获得宽而平坦的增益谱，即具有宽带宽和较好的增益平坦性；3)较小的的光限制因子可以得到较大的饱和输出功率；4)工艺简单，可提高器件可靠性。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明进一步说明，其中图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的俯视示意图。
图3是计算得到的SOA的垂直方向远场分布图。
图4是测试得到的集成SSC后水平远场分布图。
图5是计算得到的材料增益谱。
具体实施例方式
请参阅图1所示，本发明一种准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其中包括一铟磷衬底10；
一缓冲层11，该缓冲层11制作在铟磷衬底10上，以便消除铟磷衬底上的微缺陷；一下波导层12，该波导层12制作在缓冲层11上；一准量子阱有源区13，该准量子阱有源区13制作在波导层12上，以便实现宽带增益；其中准量子阱有源区13是半导体光放大器的光增益区；其中准量子阱有源区13的材料是铟镓砷，其张应变量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之间；一上波导层14，该上波导层14制作在准量子阱有源区13上；其中上下波导层14、12的材料为铟镓砷磷，其厚度在20-50nm之间，带隙波长在1.2μm-1.3μm；一包层15，该包层15制作在上波导层14上；一接触层16，该接触层16制作在包层15上；该包层15、接触层16形成带模斑转换器的脊形波导17；其中所述的脊形波导17制作成水平方向模斑转换器，该脊形波导17的中间为等宽的条形，其两端为楔形或扇形或一端为扇形，另一端为楔形；其中该脊形波导17中间条形的长度为800μm-3000μm之间，宽度为2μm-4μm之间，两端的长度为150μm-300μm之间；其中脊形波导17扇形的开口的宽度为6μm-12μm之间，楔形的开口的宽度为0.5μm-1μm之间。
图1准量子阱有源区、薄层波导SOA器件生长结构图，本征InxGa1-xAs准量子阱有源区的张应变量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之间。本征InGaAsP四元波导层，厚度在20-50nm之间，带隙在1.2eV-1.3eV。P-InP包层厚度在2000nm-3000nm之间，这样的器件结构设计可以在获得尽可能大的模场尺寸的同时减小在重掺杂接触层的吸收损耗。0.3-0.5％的张应变使得器件实现偏振不灵敏。
图1中，P-InP包层中可以加入一层较薄的四元层，这样能够在不增大发散角的同时，优化光限制因子，还可以避免消失场进入接触层中。
图2所示的三种SOA集成SSC的俯视示意图，通过taper形状电极版直接腐蚀的方法进行制备。中间部分是SOA，两侧是水平taper结构的SSC。SOA的长度L1在800μm-3000μm之间，两侧SSC的长度L2，L3在150μm-300μm之间。SOA的条宽W1在2μm-4μm之间。扇形taper的端口W2在6μm-12μm之间，楔形taper的端口W3在0.5μm-1μm之间。
图2(c)中采用逐级变宽的SOA集成SSC结构，左侧SSC设计成锥形，有利于输入光的耦合，经过SOA的放大后，进入右侧SSC，右侧SSC设计成扇形，可以提高输出光的功率，进一步增加饱和输出功率。
图1所示结构的SOA，InxGa1-xAs准量子阱有源区厚度取35nm，x取0.485，InGaAsP波导层厚度取20nm，带隙取1.2eV，计算得到的垂直方向远场分布图如图3所示，半峰值全宽度(FWHM)为14.5°，TE模限制因子2.85％。
图4是集成扇形SSC后测试得到的水平远场分布图，FWHM为8.5°，其中L2＝L3＝200μm，W1＝3μm，W2＝8μm。
图5中计算材料增益谱所选用的有源区参数为In0.485Ga0.515As，张应变量为0.32％，厚度为37nm，注入载流子密度为2×1018/cm3，波导层为InGa.2155As.4685P。图中可见准量子阱材料具有较宽的增益带宽及增益平坦性，增益谱覆盖光纤通信的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，因此可以获得相近的TE模与TM模的模式增益，从而实现偏振不灵敏性。
实施例(1)参阅图1，在InP铟磷衬底10上一次性依次外延生长N型InP缓冲层11，本征InGaAsP下波导层12，本征InxGa1-xAs张应变准量子阱有源区13，本征InGaAsP上波导层14，P型InP包层15，P型InGaAs接触层16。
本征InxGa1-xAs准量子阱有源区13的张应变量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之间。本征InGaAsP波导层14，厚度在20-50nm之间，带隙波长在1.2μm-1.3μm。P-InP包层15厚度在2000nm-3000nm之间。
具体实例取InxGa1-xAs准量子阱有源区13厚度37nm，x＝0.485，张应变量为0.32％，InGaAsP波导层14厚度取20nm，带隙波长为1.2μm，P-InP包层厚度2500nm。
(2)通过如图2所示的taper形状电极版直接光刻腐蚀制备水平方向SSC。
参阅图2三种SOA集成SSC的顶视示意图，中间部分是准量子阱有源区、薄层波导SOA，两侧是水平taper结构的SSC。SOA的长度L1在800μm-3000μm之间，两侧SSC的长度L2，L3在150μm-300μm之间。SOA的条宽W1在2μm-4μm之间。扇形taper的端口W2在6μm-12μm之间，楔形taper的端口W3在0.5μm-1μm之间。
图2(c)中采用逐级变宽的SOA集成SSC结构，左侧SSC设计成锥形，右侧SSC设计成扇形，可以提高输出光的功率，进一步增加饱和输出功率。
具体实例取L1＝1500μm，L2＝L3＝200μm，W1＝3μm，W2＝8μm，W3＝1μm。
(3)P面上生长一层SiO2做掩膜，光刻出电极图形，然后制作正面和背面金属电极，形成欧姆接触。
(4)解理出SOA集成SSC的条后两端面镀抗反膜。
光从光纤耦合入楔形SSC，经过SOA的放大后，进入另一侧的扇形SSC，并从扇形SSC的输出端耦合入光纤，这样可以减小光纤的耦合损耗，提高输出光的功率，进一步增加饱和输出功率。这种逐级变宽的结构也可以用于电吸收调制器(EA)与SSC集成的设计以及其他光电子器件与SSC集成的设计。
该结构也适用于掩埋异质(BH)结构的制作。
权利要求
1.一种准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中包括一铟磷衬底；一缓冲层，该缓冲层制作在铟磷衬底上，以便消除铟磷衬底上的微缺陷；一下波导层，该波导层制作在缓冲层上；一准量子阱有源区，该准量子阱有源区制作在波导层上，以实现宽带增益；一上波导层，该上波导层制作在准量子阱有源区上；一包层，该包层制作在上波导层上；一接触层，该接触层制作在包层上；该包层、接触层形成带模斑转换器的脊形波导。
2.根据权利要求1所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中准量子阱有源区是半导体光放大器的光增益区。
3.根据权利要求1所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中准量子阱有源区的材料是铟镓砷，其张应变量在0.3-0.5％，厚度在25nm-45nm之间。
4.根据权利要求1所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中上下波导层的材料为铟镓砷磷，其厚度在20-50nm之间，带隙波长在1.2μm-1.3μm。
5.根据权利要求1所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中所述的脊形波导制作成水平方向模斑转换器，该脊形波导的中间为等宽的条形，其两端为楔形或扇形或一端为扇形，另一端为楔形。
6.根据权利要求5所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中该脊形波导中间条形的长度为800μm-3000μm之间，宽度为2μm-4μm之间，两端的长度为150μm-300μm之间。
7.根据权利要求5所述的准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中脊形波导扇形的开口的宽度为6μm-12μm之间，楔形的开口的宽度为0.5μm-1μm之间。
全文摘要
一种准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器，其特征在于，其中包括一铟磷衬底；一缓冲层，该缓冲层制作在铟磷衬底上，以便消除铟磷衬底上的微缺陷；一下波导层，该波导层制作在缓冲层上；一准量子阱有源区，该准量子阱有源区制作在波导层上，以实现宽带增益；一上波导层，该上波导层制作在准量子阱有源区上；一包层，该包层制作在上波导层上；一接触层，该接触层制作在包层上；该包层、接触层形成带模斑转换器的脊形波导。
文档编号H01S5/00GK1713472SQ20041005000
公开日2005年12月28日 申请日期2004年6月25日 优先权日2004年6月25日
发明者丁颖, 王圩, 王书学, 朱洪亮 申请人:中国科学院半导体研究所