专利名称：具有嵌位载流子密度的半导体光器件的制作方法
技术领域：
本发明的领域是用于光信号放大或者相位调制的半导体器件领域。用于放大的器件被统称为通用名SOA(半导体光放大器)。
背景技术：
用于光信号放大或者调制的当前半导体器件具有若干缺点。
首先，有源介质光增益的光增益的变化固有地与该有源介质的光指标的变化相关联，即增益变化引起光信号的幅度变化，而光指标变化引起相位变化。在这些情况中，不可能获得独立地幅度调制和相位调制的信号。这种现象会明显地降低DPSK或者DOPSK类型光调制器的性能。
其次，光放大器件具有重大缺点。当光信号的功率变得太高时，很难维持恒定增益。图1、图2和图3描述这种原理。图1示出了具有有源区1的放大器的示意图，其中待放大的光信号S通过该有源区1，所述信号通过条形直箭头示意性地示出。传统地，该有源区1位于分别为n-掺杂和p-掺杂的两个半导体层2和3之间。图2示出了该放大器的放大增益G根据波长λ的变化。增益经过一个对于特定波长和特定电流的增大值。图3示出了增益G根据进入放大器的光信号的初始光功率PIN的变化。高于特定光功率(被称为饱和功率PSAT)，增益迅速减少。通常，PSAT是与最大增益GMAX减去3dB所得到的增益相对应的功率。
为了消除这种缺点，使用嵌位增益半导体光放大器(CG-SOA)。图4、图5、图6和图7描述这种原理。图4示出了CG-SOA放大器的示意图。传统地，它包括位于半导体层2和3之间的有源区1。该结构的最外面部分经受光处理4，这使得它们在波长λL处是能够反射的。这种处理通过图4中的两条水平条示意性地示出。这种处理通常是布拉格(Gragg)光栅。这样，该结构形成了其中光发射能够发射激光的光腔。当流过有源区的电流强度足够时，在波长λL处产生激光发射。以放置在该结构上的封闭弧形式的箭头示意性地示出了在所述腔内部循环的激光发射L。在这种情况下，对于给定输入功率，根据波长λ变化的输出功率POUT具有图5所示的形式。它具有在激光波长λL处的功率峰值。具有接近于该波长λL的波长的信号会很难放大。估计中心在激光波长λL处的该盲区的总宽度大约为10纳米。
通过调节所述腔的光处理和几何参数，很容易定位波长λL，使得它位于中心在波长λMAX处的该最大增益区之外。因此，已知在激光腔内，无论由激光发射的功率如何，放大介质的增益平衡由于所述腔引起的损失。这样，载流子数量保持恒定。因而，初步估计并且如图6所示，对于穿过放大介质并具有初始光功率PIN的任何光信号，维持几乎恒定的增益G。
但是，CG-SOA类型的器件仍然具有某些缺点。具体地，如图7所示，只要电流超过阈值电流IL，激光的输出功率PL随着流经放大器有源区的电流I的强度而增加。因而，激光功率不恒定。现在，已经证明增益二阶依赖于激光功率。具体地，增益由以下等式表示G=G01+ϵ.PLASER]]>其中，G0是第一常数，以及ε是第二常数，被称为增益压缩因子。
同样已经证明如果同时放大不同波长处调制的多个光信道，则会在信道之间发生干扰或者串扰现象。
发明内容
所有这些缺陷基本上都是由于激光功率保持依赖于注入到有源区的电流的强度。本发明的目的在于制作一种结构，其中在高于特定电流阈值时，输出激光的功率变得基本上恒定。这样，将克服大多数上述困难。
更精确的说，本发明的主题是一种受电流发生器控制的半导体光器件，所述器件包括至少一个具有量子点结构的有源区，所述结构的原子拥有称为基态的第一能量过渡态以及称为激发态的第二能量过渡态，其特征在于所述有源区放置在结构化的谐振腔中，以便在对应于基态的第一波长处谐振，所述电流发生器供给比所述基态的饱和电流大的电流。
有利地，所述光腔可以是DFB(分布反馈)类型或者DBR(分布布拉格反射器)类型的光腔。
有利地，所述器件可以是用以放大波长比第一波长大的可变幅度光信号的半导体光放大器类型的器件，由所述电流发生器供给的电流是基本上恒定的。
有利地，该器件也可以是用以相位调制波长比第一波长大的恒定幅度光信号的相位调制器类型的器件，对由所述电流发生器供给的电流在最小值和最大值之间进行幅度调制，所述最小值大于所述基态的饱和电流。
有利地，所述量子点结构产生在InGaAsP层上，所述量子点由InAs或者InAs/InP或者InAs/AsGa制成。
在阅读作为非限定性例子并且使用附图给出的以下描述后，将更清楚地理解本发明，并且其它优势变得显而易见，其中图1示出了根据现有技术的SOA放大器的示意图；图2示出了根据所述SOA放大器的波长变化的增益曲线；图3示出了根据进入信号的初始功率变化的SOA的增益曲线；图4示出了嵌位增益放大器或者CG-SOA的示意图；图5输出了根据所述CG-SOA放大器的波长变化的输出功率；
图6示出了根据进入信号的初始功率变化的CG-SOA的增益曲线；图7示出了根据进入有源区的电流变化的CG-SOA的激光的输出功率；图8示出了量子点结构中的能量过渡级；图9示出了根据进入有源区的电流变化的CG-SOA的激光的输出功率；图10示出了根据本发明的CG-SOA的示意图；图11示出了根据本发明的作为CG-SOA的波长的函数的增益曲线；图12示出了作为进入信号的初始功率的函数的根据本发明的CG-SOA的增益曲线；图13示出了根据本发明的作为DPSK型光调制器中的时间的函数的进入电流的变化；图14示出了流经所述调制器的光信号的幅度变化；以及图15示出了所述光信号的相位变化。
具体实施例方式
量子点是包含少量载流子、自由电子或者空穴的微结构。它们制作在半导体型材料中，并且在三维空间中具有几纳米和几十纳米之间的尺寸。这样，可以精确地控制这些结构的尺寸和形状以及因此它们包含的空穴的数量。正如在原子中，量化量子点中的能量级，这使得这些结构特别有利于大量的物理应用。
正如图8所示，在量子点结构中只会存在两种可能的能量过渡态，被称为基态(GS)和激发态(ES)，基态对应于最低能量级。这两种过渡态对应于图8所示的两个垂直箭头。对应于这两种过渡态的是两个发射波长，由λES和λGS表示。正如已经提及的，对应于可能过渡的载流子数量是有限的，并且可以很容易达到。当填满对应于基态的能量级时，则可能的过渡只会对应于较高能量级，即激发态。
这样，正如图9所示，在CG-SOA型结构(其中有源区基于量子阱)中，当该结构经受载流子电流I时，激光发射首先在对应于基态的波长(即λGS)处的功率PL，如图9中的实曲线所示。由激光发射的功率PL首先线性地变化到达某一电流值IS，称为饱和电流。高于该值，因为填满了对应于基态的能量级，所以由激光发射的功率PL在该波长λGS处保持恒定。然后该结构可以在对应于激发态的波长λES处发射。在波长λES处，该结构变得透明(transparent)。这意味着当该波长λES处的光信号流经该结构时，它经受等于或者大于吸收损失的增益。如果将该结构放置在腔中并且如果该增益也足以补偿该腔的光损失，则该结构可以在波长λES处发射激光发射。在该波长处发射的功率描绘为图9的点划线。
因而，为了在受拥有有源区的电流发生器控制的半导体光器件中获得恒定增益，必须满足三个条件·有源区必须包括量子点结构，所述结构的原子拥有称为基态的第一能量过渡态和称为激发态的第二能量过渡态；·有源区必须放置在结构化的谐振腔中，以便在对应于基态的第一波长处谐振；以及·电流发生器必须供给比基态饱和电流大的电流，以便嵌位基态的输出功率并且确保对应于激发态的第二波长处的透明。
图10示出了这种结构。它基本上包括位于两个掺杂半导体层2和3之间的有源区1。有源区1包括至少一个量子点结构。该结构的最外面部分经由光处理4，这使得它们在波长λGS处可反射，该处理由图10中的两条水平条示意性地示出。这样，该结构形成了一个光腔，在该光腔中，光发射能够在该波长处进行激光发射。该腔还可以包括在波长λES处可反射的第二处理5，以便光发射还可以在该波长λES处振荡。由封闭弧形式的箭头示意性地示出了该腔内循环的激光发射L。
在这些条件下，对于给定功率，图11示出了根据波长λ变化的输出功率POUT。它拥有在激光波长λGS和λES处的两个增益峰值。正如图11所示出的，流经该结构的光信号λS的波长然后必须大于λGS。
正如图12所示，在其波长大于λGS的情况下，则对于流经放大介质的具有初始功率PIN的任何光信号，维持恒定增益。
这种类型的结构有两个主要的应用。
在第一应用中，器件是半导体光放大器类型的器件。它意图在于放大波长比第一波长λGS大的可变幅度光信号。由所述电流发生器供给的电流必须供给比基态的饱和电流大的电流，并且基本上是恒定的。这样，获得恒定的放大增益。
在第二应用中，该器件是相位调制类型的器件，它意图在于相位调制波长比第一波长大的恒定幅度光信号。相位调制器可以是PSK(相移键控)类型的相位调制器。PSK类型的调制器通过相移来操作。这样，通过等于0°的参考相位来编码逻辑0，以及通过等于180°的参考相位来编码逻辑1。存在DPSK(差分相移键控)或者DQPSK(差分四相相移键控)类型的变型。
如图13所示，然后在最小值IMIN和最大值IMAX之间随时间t变化而对由所述电流发生器供给的电流I进行幅度调制，所述最小值大于所述基态的饱和电流IS。在这种条件下，不管电流的幅度调制，调制器的幅度增益保持恒定。如图14所示，输出信号的幅度AS保持恒定。另一方面，电流的幅度调制导致属于称为激发态的能量过渡态的载流子的数量的调制，该调制引起有源区的光指标的调制。另外，如图15所示，该指标调制导致输出光信号的相位S的调制。这样，可以产生拥有纯相位调制的光信号，而没有寄生的幅度调制。
量子点结构的制制作没有提出特别的问题。可以在InGaAsP层上产生具有量子点的有源层。所述量子点由InAs或者InAs/InP或者InAs/AsGa制成。当然，必须注意支持层材料和实际量子点材料之间的必要兼容性。
权利要求
1.一种半导体光放大器，用于放大可变幅度的光信号(S)，所述放大器受电流发生器控制并且包括至少一个具有量子点结构的有源区(1)，所述结构的原子拥有称为基态(GS)的第一能量过渡态和称为激发态的第二能量过渡态(ES)，其特征在于所述有源区放置在结构化的谐振腔中，以便在对应于所述基态的第一波长(λGS)处谐振，所述电流发生器供给比所述基态的饱和电流(IS)大并且基本上恒定的电流(I)，所述光信号(S)的波长比所述第一波长(λGS)大。
2.一种半导体相位调制器，用于对恒定幅度(AS)的光信号(S)进行相位调制，所述调制器受电流发生器控制并且包括至少一个具有量子点结构的有源区(1)，所述结构的原子拥有称为基态(GS)的第一能量过渡态和称为激发态的第二能量过渡态(ES)，其特征在于所述有源区放置在结构化的谐振腔中，以便在对应于所述基态的第一波长(λGS)处谐振，对由所述电流发生器供给的电流在最小值(IMIN)和最大值(IMAN)之间进行幅度调制，所述最小值大于所述基态的饱和电流(IS)，所述光信号(S)的波长比所述第一波长(λGS)大。
3.根据权利要求1或2的光器件，其特征在于所述腔是DFB类型或者DBR类型的腔。
4.根据上述权利要求任意一个所述的光器件，其特征在于所述量子点结构制作在InGaAsP层上，所述量子点由InAs或者InAs/InP或者InAs/AsGa制成。
全文摘要
本发明涉及用于光信号放大或者光信号的相位调制的半导体器件领域。具体地，本发明公开了具有嵌位载流子密度的半导体光器件。所述器件基本上在于三个原理该器件的有源区(1)具有量子点结构，该结构的原子拥有称为基态的第一能量过渡态以及称为激发态的第二能量过渡态；有源区放置在结构化的谐振腔中，以便在对应于基态的第一波长处谐振；以及流经有源区的电流大于基态的饱和电流，以便允许在对应于激发态的第二波长处振荡。利用本发明的器件可以获得恒定增益。另外，利用本发明的器件可以对光信号进行独立地幅度调制和相位调制。
文档编号H01S5/00GK1959515SQ200610136329
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年10月14日
发明者贝亚特丽斯·达让斯 申请人:阿尔卡特公司