专利名称：一种脊型波导偏振无关半导体光放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体光放大器，具体涉及一种脊型波导结构、集成模斑变换器的偏振无关半导体光放大器(SSC-SOA)。
背景技术：
偏振无关半导体光放大器(SOA)作为光网络中的关键器件和光子集成(PIC)、光电子集成(OEIC)器件中的关键功能单元，将起到越来越重要的作用。发展光子集成和光电子集成器件的一个关键课题是光器件与波导或光纤的耦合技术，高耦合效率、高耦合对准容差是其基本要求。因此，对于大多光电器件，包括半导体光放大器，与波导或光纤的耦合效率都是一个重要议题。在玻璃光纤中，由于其非常小的折射率差(Δn＜5×10-3)导致了弱导引光模式，且典型模斑尺寸为8-10μm；而在半导体波导器件中，如此小的折射率差只能靠半导体材料极其微小的组分变化来实现，这在实际工艺过程中具有极大的难度。通常，在半导体光电器件结构中，Δn一般大于1×10-2，导致模斑尺寸小于2μm，并且，半导体激光器件的模斑形状具有高度不对称性，这将进一步引起半导体波导和光纤之间的模场不匹配性，显而易见，光电器件与光纤的耦合损耗问题是在光网络应用中必须考虑的问题之一。
有许多方法可用于提高波导或光纤与器件的耦合效率，如采用微透镜或带透镜的拉锥光纤，但是，如果仅仅只是改变模斑尺寸而没有改变模场形状的话，这些方法始终存在模场不匹配的问题，同时，耦合对准容差也无法提高，这就导致了光有源器件非常高的封装成本，封装成本有可能高达器件总成本的90％；另一种方法是在器件芯片和光纤之间插入一具有模场转换功能的石英基波导。这种石英基波导技术允许芯层和覆盖层之间的折射率差可以高达1×10-2，使模斑尺寸缩小以致能和半导体器件波导相匹配，这样虽然能够得到匹配的模场和较高的耦合效率，但是由于对准容差依然无法得到有效的改善，因此，仍然无法降低有源光子器件的耦合难度和封装成本。
为了在芯片端面得到大且对称的近场光斑图形，大量的研究工作集中在半导体光电子器件和模斑变换器(Spot-Size Converter-SSC)的单片集成技术上。最近的方案已经能够同时降低耦合损耗并提高耦合对准容差，因而可以使封装成本得到有效降低并能够实现光子集成(PIC)或光电子集成(OEIC)。模斑变换器(SSC)实际上就是锥形波导，所以锥形波导的设计决定了模斑变换器和器件的集成技术，在过去的几年里，许多锥形波导的设计被报道，从锥形波导的设计可分为以下几大类侧向锥形波导、垂直方向锥形波导、混合型锥形波导(结合侧向和垂直方向的锥形波导)和特殊结构锥形波导；从器件结构可分为脊型波导(RWG)结构和掩埋(BH)结构。关于锥形波导的制作，对于脊型侧向锥形波导，其制作工艺相对与其它锥形波导结构来说较为简单和直接，一般地采用标准的光刻、刻蚀等工艺就可以完成；对于垂直方向锥形波导和混合型锥形波导而言，其制作工艺较侧向锥形波导要复杂得多，需要采用许多特殊的生长和刻蚀技术才能逐步改变波导层的厚度，对于大多数这类锥形波导结构，常常需要多次外延才能完成，增加了材料生长的难度，同时也降低了器件的成品率。同样，对于掩埋结构器件而言，也需要多次外延才能完成。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述不足之处，提供一种脊型波导偏振无关半导体光放大器，该放大器结构具有工艺简单可靠，器件成品率高的优点。
本实用新型提供的一种脊型波导偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层、无源波导层、第二级宽脊波导、有源区、脊型波导，其顶层和低层设有电极，其特征在于在无源波导层与有源区之间设有第二级宽脊波导，所述脊型波导为侧向锥形结构，与第二级宽脊共同使光束远场与光纤远场匹配。
上述脊型波导分为三部分，脊宽分两级侧向减小。
本实用新型不仅具有工艺简单可靠，器件成品率高的特点，而且其偏振灵敏度底，远场特性好，可得到近似圆形的远场光斑，与波导或光纤具有极高的耦合效率和耦合对准容差。本实用新型可以广泛应用于光网络、光子集成和光电子集成。
图1为本发明的偏振无关光放大器(SSC-SOA)的结构示意图；图2为光纤在水平、垂直方向上和最佳耦合位置的偏移距离与相对耦合损耗的关系；图3为集成模斑变换器的半导体光放大器远场图；图4为200mA电流下，光放大器的增益谱；图5为集成模斑变换器的偏振无关光放大器的饱和特性。
具体实施方式
以下结合附图、以1.55μm波长的实例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，InP衬底1；n型InP缓冲层2；1.05μm波长的无源波导层3；n型第二级宽脊波导4；有源区5；脊型波导6，其形状为锥形。与通常光放大器一样，上述器件的顶部和底部还设有电极，材料为Ti/Pt/Au，在附图中没有标出。有源区采用张应变体材料结构，材料为InGaAsP，厚度0.12μm，张应变量为-0.12％；采用目前成熟的分别限制异质结构(SCH)；上下波导层均采用波长为1.28μm的InGaAsP匹配材料，厚度均为0.1μm；衬底为n型InP材料。我们制作的集成器件采用脊型侧向锥形波导结构，外延工艺一次完成，制作工艺类似与常规脊型波导结构器件，这种结构的好处是制作锥形波导结构时不会腐蚀有源区，并且由于我们已经制作出脊型波导偏振无关半导体光放大器，因此可降低工艺难度并有利于保持工艺的一贯性和可靠性，器件结构如图1所示。脊型波导6的锥形可以由一、二或三部分构成，只要该锥形结构的脊型波导能够减小光束远场发散角，并得到一近似圆形光斑，使其远场尽可能与光纤远场匹配即可，这样可以提高半导体光放大器与光纤的耦合效率与耦合容差。根据这一要求，本领域一般技术人员可以根据多种方法具体计算锥形的尺寸，如三维BMP方法或FEM方法。下面以三部分的结构为例加以具体说明，如图1.2所示，顶部脊型波导，其宽度W从2.8μm宽逐步侧向形成锥形结构，波导尖端宽度We为0.6μm，整个顶部锥形脊型波导包括三部分，如图1中L1、L2和Ltip(取L1＝80μm、L2＝300μm、Ltip＝100μm)；随着脊波导宽度逐渐减小，光场将被逐步挤压出有源区5进入第二级宽脊波导4并耦合进下方0.05μm厚、波长为1.05μm的无源波导层3，该波导层位于有源区下方2μm处，光场的侧向限制由宽度为7μm的第二级宽脊波导4提供。
1.55μm波长脊型波导结构集成模斑变换器的偏振无关应变量子阱半导体光放大器的具体工艺实施过程如下所述。
(1)衬底表面清洗衬底表面的氧化物和杂质对制备出的化合物半导体薄膜的附着力和薄膜的均匀性等性能都有很大影响，所以进行MOCVD材料生长前首先要严格清洗衬底表面清洗工艺针对不同的衬底而有所不同。如使用InP衬底，采用浓硫酸、去离子水和双氧水的混合溶液(H2SO4∶H2O∶H2O2＝3∶1∶1)清洗后，去离子水漂洗，然后用氮气枪吹干，备用。
(2)MOCVD材料生长材料生长用的设备是EMCORE公司生产的D-180型低压金属有机化学气相外延设备(LP-MOVPE)，具有REALTEMP实时温度监控装置和独特的TURBODISC技术，生长时载有衬底片的托盘在反应腔内高速旋转以保证材料生长的大面积均匀性。生长用的III族源为三甲基铟(TMIn)和三甲基镓(TMGa)，V族源为砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)，载气为经钯管扩散后的氢气。为了获得高质量的应变量子阱结构，需要一套优化的MOVPE材料生长参数，如V/III比、生长温度、反应腔压力、生长速率以及各种源的流量等。表1为优化的MOCVD生长参数。材料生长由MOVPE材料生长工艺一次完成，生长次序如图1所示，依次为在2英寸的n型InP衬底上先生长1μm厚的n-InP缓冲层，然后生长0.05μm厚的1.05μm波长n型InGaAsP无源波导、2μm厚n型InP、有源区、1.5μm厚p型InP和0.3μm厚重p型掺杂InGaAs接触层。
表1 MOCVD生长主要工艺参数生长参数 优化值反应腔压力(P) 70Torr生长温度(T)610℃V/III比＞200生长速率(R)0.24nm/s
III族源温度 TMIn17℃/TMGa-10℃/TMAl0℃(3)管芯制作MOCVD材料生长完毕后，MOCVD材料生长完毕后，采用光刻、刻蚀、溅射、合金等工艺制作脊型波导半导体光放大器结构和电极，用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法腐蚀出顶部的侧向锥形波导结构和下面的宽脊结构。脊宽采用从2.8μm分两级逐步侧向锥形减小为0.6μm，总腔长为1610μm(其中，两端锥形波导区各480μm，中间2.8μm宽均匀脊型波导区为650μm)。
(4)半导体光放大器腔面减反(AR)膜工艺在器件端面蒸镀TiO2/SiO2两层抗反膜系，工艺过程中采用剩余反射率实时监控装置，保证最终光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。
管芯制作完成后，先不进行腔面减反膜镀膜处理，加电后管芯将以激光器方式工作，因为我们制作集成器件的主要目的是提高管芯与光纤的耦合效率以及对准容差，所以在激光器方式下进行测试我们以为更能代表其耦合特性，采用9μm芯径的平头标准单模光纤(SMF)，光纤端面进行镀减反(AR)膜处理，以抑制光纤平头端面与器件端面的反馈；光纤固定在M&G纳米级精密自动多维微动平台上，平台的移动由计算机控制。经测试得到集成模斑变换器的光放大器器件管芯与平头单模光纤的耦合损耗约为2.6dB；一般地，未集成模斑变换器的半导体激光器或放大器与平头单模光纤的耦合损耗为8.5dB～10dB，可见，集成模斑变换器后，器件与光纤的耦合效率有了极大的提高。同时可以测得，侧向的耦合对准容差为水平方向±2.3μm，垂直方向±1.6μm，测试结果见图2，(图2中曲线a代表水平方向，曲线b代表垂直方向)。设计制作模斑变换器目的是为了减小半导体光放大器的光束发散角，尤其是垂直方向的发散角并尽可能使器件的远场光斑为圆形；使用美国PHOTON公司生产的LD8900R型远场测试仪对制作的集成模斑变换器件的远场特性进行了测试；保持器件工作温度为25℃，驱动电流120mA，测试结果如图3所示(图3.1中曲线c代表水平方向，图3.2中曲线d代表垂直方向)。远场图中，曲线的半峰宽(FWHM)即为远场发散角的大小，从图3中可以看到，集成了模斑变换器的光放大器的远场发散角仅为12°×15°，光斑图形已接近圆形，这将导致器件与光纤的耦合效率大为提高，并显著增大耦合对准容差，这一结果从我们的耦合特性实验中已经得到证实。
在器件端面蒸镀TiO2/SiO2两层抗反膜系，工艺过程中采用剩余反射率实时监控装置，保证最终光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。测试器件的增益特性、偏振相关性和饱和特性。图4为150mA和200mA电流下，光放大器的增益谱，测试中，保持输入光信号功率为-25dBm；从图中可以看到，在1.54μm波长处，200mA电流下，光放大器管芯的增益约为25.5dB，同时，整个波长范围内(1510nm～1590nm)的增益的偏振相关度始终保持在0.5dB以下，这说明，集成模斑变换器的半导体光放大器已具备偏振无关性；在光放大器中，信号增益是输入信号光功率的函数，在高输入光功率情况下，由于增益饱和效应会使增益降低，因此输出功率会受此饱和效应的限制，在需要高功率工作的情况下，如作为后置功率放大器、多信道放大器时，信号的增益饱和特性就十分重要。对于半导体光放大器，总是希望有尽可能高的饱和输出功率，在讨论增益饱和时，考虑入射光的波长与峰值增益对应的波长一致，选取入射信号光波长为1540nm，分别在驱动电流为150mA和200mA时，不断变化入射光功率值，测出输出信号增益与输出功率之间的关系曲线，如图5所示。通常，饱和输出功率Psat定义为信号增益从它的饱和值下降3dB时所对应的光放大器的输出功率。从图中，我们可以看出，该样品的饱和输出功率为11.2dBm。
权利要求1.一种脊型波导偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层、无源波导层、有源区、脊型波导，其顶层和低层设有电极，其特征在于在无源波导层(3)与有源区(5)之间设有第二级宽脊波导(4)，所述脊型波导(6)为侧向锥形结构，与第二级宽脊波导(4)共同使光束远场与光纤远场匹配。
2.根据权利要求1所述的半导体光放大器，其特征在于所述脊型波导(6)分为三部分，脊宽分两级侧向减小。
专利摘要本实用新型公开了一种脊型波导偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层、无源波导层、有源区、脊型波导，其顶层和低层设有电极，其特征在于在无源波导层与有源区之间设有第二级宽脊波导，所述脊型波导为侧向锥形结构，与第二级宽脊波导共同使光束远场与光纤远场匹配。上述脊型波导分为三部分，脊宽分两级侧向减小。本实用新型不仅具有工艺简单可靠，器件成品率高的特点，而且其偏振灵敏度低，远场特性好，可得到近似圆形的远场光斑，与波导或光纤具有极高的耦合效率和耦合对准容差。本实用新型可以广泛应用于光网络、光子集成和光电子集成。
文档编号H01S5/22GK2689539SQ20042001763
公开日2005年3月30日 申请日期2004年4月2日 优先权日2004年4月2日
发明者马宏, 陈四海, 赖建军, 易新建 申请人:华中科技大学