专利名称：一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子晶体慢光有源器件设计及光子光电子器件设计技术领域，尤其涉 及一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器。
背景技术：
新一代光通信、光存储及光子集成要求单元器件尺寸不断缩小，光子晶体由于其 自身的特点，近年来一直是研究的热点，其各种效应也不断被发现和利用。几乎所有的有源 和无源光子器件都可以用光子晶体的理论和材料来设计制造。光子晶体的许多独特之处引 人瞩目，如基于光子晶体带隙的小尺寸大角度弯折无损耗波导、基于带边超大色散效应的 超棱镜，以及基于光子晶体负折射效应的突破衍射极限的成像透镜。其中，光子晶体带边慢 光效应非常引人关注，它可以在微小尺度内极大增强光和物质的相互作用，有效控制辐射 速率，基于此的各种微纳腔激光器已经实现超低阈值激射，特殊腔结构的光子晶体激光器 具有高达IOOGbps调制速率。基于慢光效应的调制器、光开关、光延迟器尺寸可以缩小1个或几个数量级。基于 慢光效应的半导体光放大器在信号放大、波长变换、光逻辑门、光计算、光网络节点的码型 变换、色散监测和光码分多址复用收发模块等方面都有重要应用，慢光结构的采用可以大 幅度缩短腔长，从而大幅度减小尺寸，降低功耗，提高速率。此前有文献报道了以光子晶体线缺陷为主的慢光半导体光放大器(SOA)设计，群 折射率可以达到50以上，但是都是基于横电(TE)模式工作的，横磁(TM)模式工作的未见 报道。这主要是因为TM模式用普通的光子晶体结构很难实现，但是这类偏振器件在光子集 成中是很重要的。
发明内容
(一)要解决的技术问题现有的光子晶体慢光半导体光放大器，一般工作于TE模式下，不能满足TM偏振模 式放大特性的需要，对此本发明的主要目的在于提供一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导 体光放大器。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大 器，该半导体光放大器包括纵向结构和横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气 桥结构，横向结构采用蜂窝晶格结构，并引入线缺陷作为导光区。上述方案中，所述纵向弱限制结构是在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长 的多层薄膜，其形成的波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在3. 0至3. 2。上述方案中，所述在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，由上 到下依次为空气/半导体材料盖层/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层/衬底材料。上述方案中，所述半导体材料盖层、缓冲层和衬底材料均采用磷化铟，所述半导体
3材料盖层及铟镓砷磷多量子阱层的厚度均为200至300纳米。上述方案中，所述空气桥结构由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气 层/衬底材料，其形成的波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在2. 9至3. 0。上述方案中，所述衬底材料采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为250 至350纳米。上述方案中，所述蜂窝晶格结构，当孔半径R与周期P的比值大于0. 16时则有横 磁光子带隙出现。上述方案中，所述蜂窝晶格结构，通过去掉两行孔形成波导，该波导通过能带结构 即色散关系分析发现其横磁缺陷态具有大的群折射率，即慢光效应，群折射率达到50以 上，能够使光和物质作用加强。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，采用蜂窝晶格 引入线缺陷的光子晶体结构能够实现高群折射率，达到50或更高，且是TM偏振工作模式， 与多量子阱有源区结合实现TM模式的放大，慢光效应增强了光和增益介质作用，大幅度缩 短腔长。2、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，通过调整中间 波导的宽度可以改变慢光工作中心波长，调整放大效果。对于空气桥结构可以采取光泵方 式工作，而对于纵向弱限制结构可以采取电泵。3、本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，通过合理调整 占空比及增益介质结构，使其工作于通信波段，应用于未来高密度光子或光电子集成芯片。
图1是TM偏振光子晶体慢光效应SOA纵向结构示意图，其中(a)是弱折射率限制 结构，(b)是空气桥结构；图2是TM偏振光子晶体慢光效应SOA横向结构示意图；图3(a)、(b)和(c)分别是R/P为0. 28、0. 31和0. 41时的完整晶格TM色散关系， 图3(d)为孔半径R与周期P的比值R/P取0.41时，去掉两行孔所形成线缺陷结构的Γ-Μ 方向能带图，箭头所指曲线为慢光模式色散关系线；图3(e)为慢光模式分布图；图3(f)为 慢光模式群折射率与波长关系；图4是TM偏振光子晶体慢光效应SOA中的光场传输示意图；图5(a)、(b)、(C)和(d)分布是光脉冲在不同注入下的放大传输，监测点间隔为 3. 5微米，时间轴用微米表示(即T*c*le+6，T为国际单位制的时间，c为真空光速)，不同 注入条件分别为(a) 3e+16A/m3 ； (b) 5e+16A/m3 ； (c) 8e+16A/m3 ； (d) 10e+16A/m3 ；图6是不同注入下TM光子晶体慢光效应SOA增益特性，放大长度为7微米。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
光子晶体慢光效应波导是光子晶体慢光器件设计的基础。光子晶体慢光波导应用 的是在光子带隙中引入的缺陷态，其一阶色散呈现出高群折射率，这是进行慢光波导设计 的理论基础。一般的慢光波导都是工作于横电(TE)模式下，因为用普通的晶格结构(三角 或四方)横磁(TM)模式下，光子带隙及缺陷态都很难实现，目前的半导体光放大器(SOA) 设计也是基于TE模式下。本发明将提出一种具有TM偏振慢光模式的光子晶体SOA结构，晶格采用的是蜂窝 结构，在一般的占空比下即可形成光子带隙，通过引入缺陷而形成慢光模式波导。增益介质 采用半导体多量子阱结构，利用慢光效应可以大幅度缩短SOA的腔长，适于小尺寸光子光 电子集成的需要。横向结构如图1所示，纵向结构可以是弱折射率限制也可以是空气桥结 构。本发明提供的这种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，包括纵向结构及 横向结构，纵向结构可分为两种，一种为纵向弱限制结构，即在三五族半导体衬底上利用沉 积工艺生长的多层薄膜，常用的如图1(a)的分布，由上到下依次为空气/半导体材料盖层 (如磷化铟)/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层(如磷化铟)/衬底材料(如磷化铟)，各层厚 度在图上标出，其形成的波导结构在光通信波段TM基模有效折射率在3. 0至3. 2左右。另 外将通过调整芯区量子阱数目来控制高折射率区厚度，以保证单模，一般多量子阱层及盖 层厚度分别为200至300纳米。另一种空气桥结构，常用的如图1(b)的分布，由上到下依次为空气/铟镓砷磷多 量子阱层/空气层/衬底材料(如磷化铟)，各层厚度在图上标出，其形成的波导结构在光 通信波段TM基模有效折射率在2. 9至3. 0左右。也可以通过调整芯区量子阱数目来控制 高折射率区厚度，以保证单模，一般厚度为250至350纳米。横向结构的设计以此为基础，采用蜂窝晶格结构如图2所示，周期为P，孔半径为 R，该结构当R/P大于0. 16时即有TM光子带隙出现。通过去掉两行孔形成波导，该波导通 过能带结构即色散关系分析发现其TM缺陷态具有大的群折射率，即慢光效应，群折射率达 到50以上，这能够使光和物质作用加强。在本发明中，通过调整中间结构Wl的宽度，可以对模式进行控制，该结构为非刻 蚀区。本发明提供的这种基于光子晶体空气桥结构及纵向弱折射率导引的光子晶体结 构，以光电子器件常用的多层薄膜结构为基础，如多量子阱，在制作过程中三五族半导体铟 镓砷磷体系形成如图1(a)所示结构，或者通过干法和湿法混合刻蚀形成如图1(b)这种有 空气夹层的所谓空气桥结构。本发明称之为纵向结构其实就是如图1所示的两种结构，这 里要求C波段TM模式有效折射率为2. 9至3. 2左右。光子晶体结构就贯穿在如图1所示 的衬底以上结构中，为保证纵向单模，各层厚度一般在几百纳米，两种纵向结构各层要求不 同，已在图中标出，蜂窝晶格(如图2)周期P取200-220纳米，孔半径R取0. 41P，中间去 掉两行孔，TM缺陷态具有高群折射率，从而能够增强光和物质相互作用，利用此效应制作 S0A，能够缩短腔长。本发明选取的参数使其工作于通信波段，即1550纳米波长附近。与文 献上发表的TE线缺陷慢光波导不同的是，本发明的慢光模式为TM偏振。图2中如果对Wl进行调整，则边缘孔将会受影响，从而可以调整慢光波长位置，对 慢光带宽也有影响，这里带宽指慢光工作区域，要求在此区域只有一个横向磁场模式存在。
图3是通过能带求解工具得到的蜂窝状光子晶体及引入线缺陷的能带结构，其中 图3 (a)、(b)和(c)分别是R/P为0.28、0. 31和0.41时的完整蜂窝晶格TM色散关系，图 3(d)为R/P取0.41时，去掉两行孔线缺陷结构的Γ-Μ方向能带图，箭头所指曲线为慢光模 式色散关系线；图3(e)为慢光模式场分布图；图3(f)为慢光模式群折射率与波长关系。图4是对慢光波导在工作中心波长处做时域有限差分分析得到的慢光传输效果 图。图5是光脉冲在不同注入下的放大传输，监测点间隔为3. 5微米，时间轴用微米表示 (即T*c*le+6，T为国际单位制的时间，c为真空光速)，不同注入条件分别为(a)3e+16A/ m3 ;(b)5e+16A/m3 ;(c)8e+16A/m3 ;(d)10e+16A/m3。图 6 为不同注入下 TM 光子晶体慢光效应 SOA增益特性，放大长度为7微米。可见随着注入的不断加大，增益也在增加，但实际上达到 一定注入密度，激振就会发生，这是不希望看到的。总之，通过将半导体材料与特殊光子晶体结构相结合，能够产生TM慢光效应，增 强了光和物质的作用，使得在小腔长，低注入下就可实现光信号的放大。该SOA特征在于尺 寸小巧，能够对TM偏振光高效放大，在光子光电子集成中将会有重要应用。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于，该半导体光放大器包括纵向结构和横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构采用蜂窝晶格结构，并引入线缺陷作为导光区。
2.根据权利要求1所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述纵向弱限制结构是在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，其形成的 波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在3. 0至3. 2。
3.根据权利要求2所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述在III-V族半导体衬底上利用沉积工艺生长的多层薄膜，由上到下依次为空气/半导 体材料盖层/铟镓砷磷多量子阱层/缓冲层/衬底材料。
4.根据权利要求3所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述半导体材料盖层、缓冲层和衬底材料均采用磷化铟，所述半导体材料盖层及铟镓砷磷 多量子阱层的厚度均为200至300纳米。
5.根据权利要求1所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述空气桥结构由上到下依次为空气/铟镓砷磷多量子阱层/空气层/衬底材料，其形成 的波导结构在光通信波段横磁基模有效折射率在2. 9至3. 0。
6.根据权利要求5所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述衬底材料采用磷化铟，所述铟镓砷磷多量子阱层的厚度为250至350纳米。
7.根据权利要求1所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述蜂窝晶格结构，当孔半径R与周期P的比值大于0. 16时则有横磁光子带隙出现。
8.根据权利要求1所述的横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，其特征在于， 所述蜂窝晶格结构，通过去掉两行孔形成波导，该波导通过能带结构即色散关系分析发现 其横磁缺陷态具有大的群折射率，即慢光效应，群折射率达到50以上，能够使光和物质作 用加强。
全文摘要
本发明公开了一种横磁偏振光子晶体慢光效应半导体光放大器，该半导体光放大器包括纵向结构和横向结构，其中纵向结构为纵向弱限制结构或空气桥结构，横向结构采用蜂窝晶格结构，并引入线缺陷作为导光区。本发明采用蜂窝晶格引入线缺陷的光子晶体结构能够实现高群折射率，达到50或更高，且是横磁偏振工作模式，与多量子阱有源区结合实现横磁模式的放大，慢光效应增强了光和增益介质作用，大幅度缩短腔长。
文档编号H01S5/343GK101976801SQ20101027768
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者张冶金, 渠红伟, 邢名欣, 郑婉华, 陈良惠 申请人:中国科学院半导体研究所