專利名稱：分布反饋半導(dǎo)體激光器與電吸收調(diào)制器集成光源及制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
分布反饋半導(dǎo)體激光器與電吸收調(diào)制器集成光源及制法屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是單片光子集成器件技術(shù)領(lǐng)域。
目前光纖通信系統(tǒng)可以分為干線通信系統(tǒng)、接入網(wǎng)、城域網(wǎng)三個(gè)層次。首先，干線光纖通信系統(tǒng)正向高速、大容量、長距離的方向發(fā)展，波分復(fù)用成為主流。目前干線光纖通信系統(tǒng)可傳100路以上不同波長的光信號，傳輸距離在百公里以上，單路傳輸速率從2.5 Gb/s提高到10 Gb/s，并逐步向40 Gb/s發(fā)展。其次，寬帶接入網(wǎng)方興未艾，綜合數(shù)字化服務(wù)成為未來通信的發(fā)展方向。要求在成本盡可能低的條件下，提供足夠的帶寬，目前光纖接入網(wǎng)的傳輸速率逐步向2.5 Gb/s發(fā)展。再次，城域網(wǎng)建設(shè)逐步興起。由于中心城市信息傳輸密集，要求有盡可能高數(shù)據(jù)傳輸速率(10～40 Gb/s)，但是由于信息基本在城市內(nèi)傳輸，對于傳輸距離的要求并不高。
在目前的光通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的通信容量主要受限于傳輸系統(tǒng)的色散、光源的線寬及其啁啾。為提高通信容量，要求光源具有窄線寬、低啁啾的特點(diǎn)。由于這個(gè)原因，光通信系統(tǒng)中主要采用具有動態(tài)單模特性的分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器。然而，受注入載流子與光子共振作用(張馳振蕩)的限制，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器工作速率難以提高到Gb/s以上；更重要的是，直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器會產(chǎn)生頻率啁啾，嚴(yán)重影響光信號的傳輸性能。為了提高光信號調(diào)制速率并抑制頻率啁啾，人們采用外調(diào)制器，即激光器工作于靜態(tài)，而利用外調(diào)制器來調(diào)制其輸出光，使光信號兼有單模、窄線寬、低啁啾的優(yōu)點(diǎn)。但是，分立的激光器和調(diào)制器存在光耦合損耗大、穩(wěn)定性差、成本高等缺點(diǎn)，DFB激光器和外調(diào)制器的單片集成器件應(yīng)運(yùn)而生。
用于進(jìn)行集成光源制作的外調(diào)制器結(jié)構(gòu)主要分為兩類干涉型和電吸收型，分別以基于多量子阱材料電光效應(yīng)的Mach-Zehdner調(diào)制器和利用量子限制Stark效應(yīng)的多量子阱(MQW)電吸收(EA)調(diào)制器為代表。干涉型調(diào)制器雖然具有對工作波長不敏感、啁啾可調(diào)的特性，但由于存在制作困難、器件尺寸較大等缺點(diǎn)，目前還難以推廣使用。而電吸收調(diào)制器因?yàn)榫哂序?qū)動電壓低、器件尺寸小、啁啾可控、制作工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于單片集成光源。目前，DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源成為干線光纖通信系統(tǒng)的首選光源，并有望在城域網(wǎng)中獲得廣泛應(yīng)用。
隨著光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和器件制作技術(shù)的提高，目前商用的DFB激光器/EA調(diào)制器調(diào)制速率已經(jīng)達(dá)到10 Gb/s，并正向40 Gb/s方向發(fā)展。如何根據(jù)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展需要，不斷提高DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源的綜合性能，同時(shí)降低器件的制作成本，成為目前集成光源的主要發(fā)展方向。
由于同時(shí)包含了DFB激光器和EA調(diào)制器，在集成光源的設(shè)計(jì)和制作過程中必須兼顧兩個(gè)器件的性能。對于DFB激光器來說，要求具有較好的半導(dǎo)體激光器特性和單模特性，如低閾值電流、高外量子效率、高邊模抑制比、高單模成品率等；對于EA調(diào)制器來說，要有非常良好的調(diào)制特性，如高調(diào)制速率、低驅(qū)動電壓、高消光比等。
本發(fā)明主要提供一種新型的DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源及制法，其主要優(yōu)點(diǎn)在于同時(shí)對DFB激光器、EA調(diào)制器的性能進(jìn)行優(yōu)化，而且制作工藝簡單。為更好的闡明我們發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，下面對DFB激光器、EA調(diào)制器的工作原理以及目前常用的DFB激光器/EA調(diào)制器的集成方案進(jìn)行介紹。
為滿足高速長距離傳輸?shù)男枰?，目前光纖通信系統(tǒng)要求光源產(chǎn)生的光信號具有動態(tài)單模的特征。所謂模式是指在光場在空間穩(wěn)定存在的分布狀態(tài)。作為光纖通信的光源，半導(dǎo)體激光器一般存在三個(gè)方向的模式分布。沿激光器輸出方向形成的駐波模式稱為縱模，垂直于有源層方向的模式稱為垂直橫模，平行于有源層并和輸出方向垂直的模式稱為水平橫模。完全單模就是要求激光器產(chǎn)生的光場無論是縱模、橫模都是單一的。所謂動態(tài)單模，就是半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)生的激光，在高速調(diào)制的情況下仍保持完全單模的狀態(tài)。對于一般的半導(dǎo)體激光器，基橫模實(shí)現(xiàn)比較容易，主要通過控制激光器有源層的厚度和條寬來實(shí)現(xiàn)。而縱?？刂凭捅容^困難，需要對激光器諧振腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)。
而分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器是在半導(dǎo)體激光器內(nèi)部建立一個(gè)布拉格光柵，光柵分布在整個(gè)諧振腔中，利用光柵的選頻特性對縱模進(jìn)行選擇，光波獲得增益同時(shí)得到反饋。再加上橫模結(jié)構(gòu)的限制，從而實(shí)現(xiàn)完全單模。由于光柵的選頻特性，不同波長的激光的諧振腔損耗差別較大，因此在高速調(diào)制的情況下仍能保持完全單模狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了動態(tài)單模。在DFB激光器中存在兩種基本的反饋方式，一種是折射率周期性變化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一種為增益周期性變化引起的分布反饋，即增益耦合(Gain-Coupling)。在端面反射為零的理想情況下，折射率耦合DFB激光器在與布拉格波長相對稱的位置上存在兩個(gè)諧振腔損耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB激光器恰好在布拉格波長上存在著一個(gè)諧振腔損耗最低的模式。
折射率耦合DFB激光器較早在實(shí)驗(yàn)取得成功。在DFB激光器的發(fā)展過程中，人們將光柵刻制在有源層附近的透明波導(dǎo)層上，有效地降低DFB激光器的閾值電流，而這種結(jié)構(gòu)屬于折射率耦合。由于折射率耦合原理上是雙模激射的，人們采用端面鍍膜(一個(gè)端面鍍低反射膜，另一個(gè)端面鍍高反射膜)、四分之一波長相移區(qū)等方法消除模式簡并，實(shí)現(xiàn)動態(tài)單模。但是這些方法存在單模成品率低、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。
而對于增益耦合DFB激光器而言，是不存在模式簡并問題的，但是純粹增益耦合的DFB激光器實(shí)現(xiàn)起來比較困難。因?yàn)樵诟淖儾牧显鲆娴耐瑫r(shí)，折射率也往往發(fā)生變化，必須采用特殊的結(jié)構(gòu)來抑制折射率耦合，才能實(shí)現(xiàn)純粹的增益耦合。后來人們發(fā)現(xiàn)，即使對于同時(shí)含有折射率耦合和增益耦合機(jī)理的DFB激光器，其單模成品率和抗反射能力也大為提高，對端面鍍膜質(zhì)量的要求大大降低。
在高速光纖通信系統(tǒng)當(dāng)中，要求DFB激光器具有較好的動態(tài)單模特性。同時(shí)，為擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，要求不斷降低制作成本，于是增益耦合DFB激光器就成為最佳選擇。另外，作為半導(dǎo)體激光器，要求具有較低的閾值和較高的外量子效率，這就需要對有源層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。目前的半導(dǎo)體激光器普遍采用多量子阱結(jié)構(gòu)，阱數(shù)的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題。在同樣的注入條件下，阱數(shù)過少，光限制因子過小，不能產(chǎn)生足夠的模式增益；阱數(shù)過大，有源層總厚度過大，使得有源區(qū)載流子濃度過低，都會增加激光器的閾值電流。因此存在一個(gè)對量子阱數(shù)優(yōu)化的問題。目前，InGaAsP半導(dǎo)體激光器有源層的一般采用5～7個(gè)量子阱。
由于直接調(diào)制的DFB激光器產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率啁啾，人們采用外調(diào)制器結(jié)構(gòu)。目前，光纖通信最常用的是多量子阱電吸收(MQW EA)調(diào)制器，其工作原理主要基于量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。EA調(diào)制器的外延結(jié)構(gòu)和普通的半導(dǎo)體激光器相同，只不過它工作在反向截止?fàn)顟B(tài)。在量子阱限制作用下，受激吸收發(fā)生躍遷的電子和空穴容易構(gòu)成相互耦合的電子-空穴對，稱之為激子。激子吸收峰處于材料吸收峰的長波長方向，而且吸收邊非常陡峭。當(dāng)外加電場時(shí)，量子阱能帶發(fā)生傾斜，整個(gè)吸收譜線向長波長方向移動，激子吸收峰也發(fā)生紅移，同時(shí)吸收邊變緩，這就是QCSE效應(yīng)。在使用DFB激光器/EA調(diào)制器時(shí)，要求激光器輸入激光的波長應(yīng)該在該電吸收調(diào)制器的吸收峰的長波長方向，在不加外偏壓的條件下，EA調(diào)制器對光的吸收小，輸出光功率強(qiáng)。在外加偏壓或電場作用下，EA調(diào)制器吸收峰紅移，對光的吸收增加，輸出光功率變?nèi)?。由于EA調(diào)制器的工作基本上是通過電場作用完成的，沒有載流子與光子的相互作用，因此信號的調(diào)制速率不受張弛振蕩頻率限制，而且頻率啁啾較小，具有良好的傳輸性能。
目前，EA調(diào)制器的調(diào)制速率主要受限于器件的電容，它主要包括P-I-N結(jié)形成的結(jié)電容和電極臺絕緣層形成的電極電容。降低電極電容，就要求采用介電常數(shù)較低的厚絕緣介質(zhì)，要求盡量減少電極面積。降低結(jié)電容，主要通過減少調(diào)制器有源區(qū)的寬度和長度來實(shí)現(xiàn)，但是有源區(qū)的寬度過小，激光器和調(diào)制器的耦合效率就會降低，長度過短，調(diào)制器對光的吸收就會降低，就不能保證一定的消光比。通過增加有源層的量子阱個(gè)數(shù)，可以提高單位長度的EA調(diào)制器的消光比，同時(shí)由于P-I-N結(jié)中I層厚度的增加，單位長度的結(jié)電容也得到降低。為此，在分立的EA調(diào)制器的設(shè)計(jì)和制作中，普遍采用較多的量子阱個(gè)數(shù)(10個(gè)以上)。
以上對分立的DFB激光器、EA調(diào)制器的工作原理和性能優(yōu)化趨勢做了一個(gè)介紹。而DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源的是在同一個(gè)襯底上生長和制作DFB激光器和EA調(diào)制器，人們設(shè)計(jì)出了各種集成結(jié)構(gòu)與工藝，下面主要介紹目前常用的DFB激光器和EA調(diào)制器的集成方案。
目前實(shí)現(xiàn)DFB激光器/EA調(diào)制器的單片集成方案有多種，根據(jù)激光器與調(diào)制器的外延材料之間的關(guān)系可分為兩大類。第一類光源器件中，外延本身得到的激光器材料和調(diào)制器外延材料不同，激光器材料的禁帶寬度窄，調(diào)制器區(qū)材料禁帶寬度寬，以保證激光器的激射波長處于調(diào)制器的吸收峰的長波長方向，選擇合適的材料設(shè)計(jì)和外延工藝方可實(shí)現(xiàn)波長匹配。這類集成方法包括分別外延、選擇性區(qū)域腐蝕、選擇性區(qū)域外延等技術(shù)。另外一類集成方案則是在激光器和調(diào)制器部分外延生長同一外延層材料，通過外延以外的手段調(diào)整激光器的激射波長(調(diào)整DFB激光器的光柵結(jié)構(gòu))或者調(diào)制器的吸收峰(量子阱部分無序技術(shù))以實(shí)現(xiàn)波長匹配。
分別外延技術(shù)是在激光器和調(diào)制器兩個(gè)部分的有源層材料，通過兩次外延工序制作。其制作工藝如下(a)在襯底上選擇區(qū)域刻蝕光柵，(b)用MOCVD生長下波導(dǎo)層，有源層及光限制層，形成DFB激光器結(jié)構(gòu)，(c)通過腐蝕去掉調(diào)制器部分(無光柵區(qū)域)的外延層，(d)用MOCVD再生長上波導(dǎo)層和光限制層以形成調(diào)制器結(jié)構(gòu)，(e)腐蝕掉激光器上的外延層，(f)繼續(xù)生長光限制層及歐姆接觸層。
選擇性區(qū)域腐蝕在襯底上生長兩層隔開的多量子阱，下層用作電吸收調(diào)制器，上層用作DFB激光器的有源層，在兩層多量子阱上制作光柵；采用選擇性腐蝕的方法，腐蝕掉部分區(qū)域的光柵以及上層量子阱；腐蝕掉的部分作為調(diào)制器部分，未腐蝕的部分作為激光器部分，然后繼續(xù)生長光限制層和歐姆接觸層。激光器部分的下層量子阱對激射光基本上沒有吸收，只起到波導(dǎo)的作用。適當(dāng)選擇兩層量子阱的能隙，可以實(shí)現(xiàn)低插入損耗、高調(diào)制深度及低驅(qū)動電壓。
以上兩種集成方案的主要優(yōu)點(diǎn)是DFB激光器和EA調(diào)制器的組分和尺寸的設(shè)計(jì)參數(shù)可以完全獨(dú)立，以求達(dá)到最優(yōu)效果。其缺點(diǎn)是，工藝比較復(fù)雜，激光器和調(diào)制器的有源層不能在同一次外延中完成；激光器和調(diào)制器之間的耦合效率較低。
選擇性區(qū)域外延，主要利用MOCVD技術(shù)在具有不同隙寬和寬度的介質(zhì)掩膜上進(jìn)行外延時(shí)，外延材料的生長速度和材料組分會出現(xiàn)一定差別，從而同時(shí)形成激光器和調(diào)制器不同能隙的有源層。
量子阱部分無序技術(shù)，通過一次外延生長激光器和調(diào)制器的有源層，通過在調(diào)制器部分注入離子或覆蓋介質(zhì)膜量子阱材料表面并進(jìn)行退火，使調(diào)制器量子阱中阱和壘的組分在邊界處發(fā)生混和，增加了量子阱材料的帶隙，從而使EA調(diào)制器的吸收邊發(fā)生藍(lán)移。
同一外延層技術(shù)，通過一次外延生長激光器和調(diào)制器的有源層，利用光柵的選模特性使DFB激光器的激射波長發(fā)生紅移。由于半導(dǎo)體材料的帶隙會隨著注入載流子密度的升高而降低，這將導(dǎo)致材料的增益譜峰隨著注入的增加向長波長方向移動，使得在原來低于帶隙能量的波長位置出現(xiàn)增益。因此，有可能采用相同的量子阱材料作為激光器部分的有源層與調(diào)制器部分的吸收層，并利用光柵的選頻作用，使DFB激光器的Bragg波長位于量子阱材料激子吸收峰的長波長方向，從而實(shí)現(xiàn)集成器件的波長匹配。
以上三種方法可以的優(yōu)點(diǎn)是只用一次外延即可同時(shí)形成激光器和調(diào)制器有源層，制作工藝相對簡單，但也有各自的不足。選擇性區(qū)域外延技術(shù)需要對介質(zhì)掩膜厚度、隙寬和寬度進(jìn)行控制；量子阱部分無序技術(shù)在退火過程中會降低量子阱的性能，且工藝可重復(fù)性差；而同一外延層結(jié)構(gòu)，利用光柵使DFB激光器波長紅移，由于激射波長偏離于有源層的增益譜峰，其閾值電流會有所升高。
通過以上介紹，我們發(fā)現(xiàn)在以往的集成光源及制法存在以下問題要么制作工藝復(fù)雜，要么不能對激光器和調(diào)制器之間實(shí)現(xiàn)獨(dú)立優(yōu)化。對于前者來說，器件制作成本難以降低，而后者則難以實(shí)現(xiàn)高性能光源的要求。
本發(fā)明的集成光源中包括DFB激光器和EA調(diào)制器，其特征在于所述的DFB激光器的光柵是采用由周期性排列的有源層材料形成的光柵結(jié)構(gòu)，而且所述的集成光源的有源層材料采用同一次外延生長而成的量子阱結(jié)構(gòu)。所述的有源層材料可以采用選擇性區(qū)域外延技術(shù)、同一外延層技術(shù)、量子阱部分無序形成的量子阱結(jié)構(gòu)。所述的有源區(qū)材料是對應(yīng)于1260nm～1600nm，700nm～1000nm的輸出波長。所述DFB激光器光柵中包括的量子阱個(gè)數(shù)在1到N的范圍內(nèi)，其中N為外延生長的集成光源有源層的量子阱個(gè)數(shù)。所述的DFB激光器輸出波長范圍為1260nm～1600nm，700nm～1000nm。所述的EA調(diào)制器端面上有一層使端面反射率的范圍在10-8到10％的介質(zhì)膜。所述的DFB激光器端面上有一層使端面反射率的范圍在10％到99.99％的介質(zhì)膜。
本發(fā)明還包括了一種制作上述集成光源的制作工藝，其特征在于所述的集成光源的有源層可以在一次外延過程中生長完畢，可以通過提高有源層量子阱個(gè)數(shù)來提高所述的EA調(diào)制器的調(diào)制速率，并通過刻蝕有源層材料實(shí)現(xiàn)所述的DFB激光器中的光柵。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于一、綜合考慮了DFB激光器和EA調(diào)制器性能優(yōu)化的趨勢，同時(shí)優(yōu)化集成光源中兩個(gè)器件的性能。對于DFB激光器來說，由于折射率耦合DFB激光器對端面鍍膜和光柵制作要求較高，工藝相對復(fù)雜；本發(fā)明通過直接刻蝕有源層制作有源光柵，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的增益耦合系數(shù)，并且可以保持合適的量子阱個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)較低的閾值電流。而對于EA調(diào)制器來說，可以通過提高有源層外延生長的量子阱個(gè)數(shù)，增強(qiáng)了對光場的吸收，在降低調(diào)制器長度條件下也能保持一定的消光比；同時(shí)由于P-I-N結(jié)中I層厚度的增加，單位長度的結(jié)電容也得到一定程度的降低。這樣就大大降低了調(diào)制器的結(jié)電容，有利于進(jìn)一步提高集成器件的調(diào)制速率。二、DFB激光器和EA調(diào)制器的有源層結(jié)構(gòu)可以通過一次外延來完成，制作工藝比較簡單，大大降低生產(chǎn)成本。三、本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)和工藝可采用不同材料系的DFB激光器/EA調(diào)制器的集成光源，從而可以應(yīng)用于光纖通信的各個(gè)領(lǐng)域。輸出波長在850nm波段的半導(dǎo)體激光器光源是光纖通信用的早期光源，波長在1300nm波段的半導(dǎo)體激光器光源在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中具有零色散，廣泛用于局域網(wǎng)和接入網(wǎng)，而波長為1550nm半導(dǎo)體激光器光源在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中損耗最低，廣泛用于長途干線光通信系統(tǒng)。而本發(fā)明可以采用GaAs/GaAlAs(輸出波長700～1000nm)，InGaAsP(輸出波長1260～1600nm)，InGaAlAs(輸出波長1260～1600nm)等多種材料，因此在光纖通信中具有廣泛應(yīng)用。
通過有源光柵制作分立的增益耦合DFB激光器，通過提高量子阱個(gè)數(shù)來提高分立的EA調(diào)制的調(diào)制速率，這兩種方法早有實(shí)驗(yàn)上的報(bào)道，但是迄今為止沒有人將它們用于DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源的制作。本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于將兩者有機(jī)的結(jié)合起來，將其用于DFB激光器/EA調(diào)制器集成光源的制作。并且采用一次外延的方法制作有源層材料，大大簡化工藝。
該器件的外延材料結(jié)構(gòu)情況如附

圖1所示，其中(1)N電極，(2)襯底，(3)緩沖層，(5)下波導(dǎo)層，(6)多量子阱有源層，(7)光柵，(8)上波導(dǎo)層，(9)填平光柵材料，(10)腐蝕停止層，(11)上限制層，(12)歐姆接觸層，(13)p電極，(14)DFB激光器部分，(15)電極隔離部分，(16)EA調(diào)制器部分。調(diào)制器和激光器共用一個(gè)高摻雜的n型InP襯底材料。先在襯底上生長n型InP緩沖層(厚度160nm、摻雜濃度約1×1018cm-3)、非摻雜晶格匹配InGaAsP下波導(dǎo)層(厚度80nm，光熒光波長1150nm)。然后制作一層200nm厚的Si02掩膜，固定掩模的間隙寬度，只改變兩側(cè)掩模寬度激光器部分較寬，調(diào)制器區(qū)部分較窄。然后生長DFB激光器/EA調(diào)制器的有源層，其中激光器部分量子阱結(jié)構(gòu)為10對量子阱，阱寬8nm，0.5％壓應(yīng)變，光熒光波長1550nm，壘寬10nm，晶格匹配材料，光熒光波長1200nm；調(diào)制器部分量子阱結(jié)構(gòu)為10對量子阱阱寬7nm，0.4％壓應(yīng)變，光熒光波長1510nm，壘寬9nm，晶格匹配材料，光熒光波長1150nm。再生長非摻雜型晶格匹配InGaAsP上波導(dǎo)層(厚度100nm，光熒光波長1150nm)。然后對激光器部分，通過全息曝光和濕法腐蝕的方法腐蝕掉5個(gè)量子阱形成增益光柵。在光柵制作完畢以后，繼續(xù)用MOCVD進(jìn)行外延，依次生長p型InP限制層(厚度1700nm，摻雜濃度從3×1017cm-3漸變到為1×1018cm-3)和的p型InGaAs歐姆接觸層(厚度100nm，摻雜濃度約1×1019cm-3)。
激光器長400μm，采用低脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬為2μm，深約1.5μm。調(diào)制器長100μm，采用高脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬為2μm，深約4μm。為了提高調(diào)制器調(diào)制速率，在調(diào)制器電極臺下加有約4μm厚的聚酰亞胺絕緣層。在激光器和調(diào)制器表面采用300nm厚的SiO2絕緣層，將脊上的SiO2去掉。通過質(zhì)子注入實(shí)現(xiàn)激光器和調(diào)制器的電隔離。調(diào)制器電極面積約104μm2。在調(diào)制器端面鍍反射率為10-8到10％的抗反射介質(zhì)膜，在激光器端面鍍反射率為10％到99.99％的高反射介質(zhì)膜。
本實(shí)施例的特征參數(shù)為激光器閾值電流典型值為20mA，調(diào)制器端輸出斜效率平均為10％，邊模抑制比達(dá)到40dB。調(diào)制器消光比達(dá)到10dB，管芯小信號調(diào)制帶寬達(dá)到32GHz，可用于40Gb/s長途干線光纖傳輸系統(tǒng)。
激光器和調(diào)制器共用一個(gè)高摻雜的n型InP襯底材料。在第一次外延過程中先在n+-InP襯底上采用MOCVD依次生長n-InP緩沖層(厚度500nm、摻雜濃度約1×1018cm-3)，非摻雜晶格匹配InGaAsP下波導(dǎo)層(厚度100nm，光熒光波長1050nm)，非摻雜應(yīng)變InGaAlAs多量子阱有源層(10周期，1％壓應(yīng)變阱，厚度6nm；晶格匹配壘，厚度10nm，光熒光波長1270nm)，非摻雜型晶格匹配InGaAsP上波導(dǎo)層(厚度150nm，光熒光波長1050nm)。然后對激光器部分，通過全息曝光和干法刻蝕的方法刻蝕掉5個(gè)量子阱形成增益光柵。在光柵制作完畢以后，繼續(xù)用MOCVD進(jìn)行外延，依次生長p-InP上限制層I(厚度200nm，摻雜濃度約1×1017cm-3)、InGaAsP脊波導(dǎo)腐蝕停止層(厚度20nm)、p-InP上限制層II(厚度1.7～1.8μm，摻雜濃度約8×1017cm-3)和p+-InGaAs歐姆接觸層(厚度300nm，摻雜濃度約1×1019cm-3)，其中p-InP上限制層I用以長平光柵。
激光器長400μm，采用低脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬為2μm，深約1.5μm。調(diào)制器長100μm，采用高脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬為2μm，深約4μm。為了提高調(diào)制器調(diào)制速率，在調(diào)制器電極臺下加有約4μm厚聚酰亞胺絕緣層。在激光器和調(diào)制器表面采用300nm厚的SiO2絕緣層，將脊上的SiO2去掉，使金屬電極與脊波導(dǎo)的歐姆接觸層連接。通過質(zhì)子注入實(shí)現(xiàn)激光器和調(diào)制器的電隔離。調(diào)制器電極面積約104μm2。在調(diào)制器端面鍍反射率為10-8到10％的抗反射介質(zhì)膜，在激光器端面鍍反射率為10％到99.99％的高反射介質(zhì)膜。
本實(shí)施例的特征參數(shù)為激光器閾值電流典型值為15mA，調(diào)制器端輸出斜效率平均為10％，邊模抑制比達(dá)到40dB。調(diào)制器消光比達(dá)到10dB，管芯小信號調(diào)制帶寬達(dá)到32GHz，可用于40 Gb/s速率城域網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。
該器件的外延材料結(jié)構(gòu)情況如附圖2所示，其中(1)N電極，(2)襯底，(3)緩沖層，(4)下限制層，(5)下波導(dǎo)層，(6)多量子阱有源層，(7)光柵，(8)上波導(dǎo)層，(11)上限制層，(12)歐姆接觸層，(13)p電極，(14)DFB激光器部分，(15)電極隔離部分，(16)EA調(diào)制器部分。激光器和調(diào)制器共用一個(gè)高摻雜的n型GaAs襯底材料。在第一次外延過程中先在n+-GaAs襯底上用MOCVD依次生長n-GaAs緩沖層(厚度500nm，摻雜濃度約1×1018cm-3)，非摻雜晶格匹配Ga1-xAlxAs下限制層(厚度1000nm，x＝0.45，摻雜濃度約5×1017cm-3)，非摻雜晶格匹配Ga1-xAlxAs下波導(dǎo)層(厚度150nm，x＝0.06)，非摻雜應(yīng)變GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源層(10周期，GaAs量子阱，厚度10nm；Ga1-xAlxAs壘，厚度10nm，x＝0.06)，非摻雜晶格匹配Ga1-xAlxAs上波導(dǎo)層(厚度150nm，x＝0.06)。然后對調(diào)制器部分，覆蓋SiO2介質(zhì)膜進(jìn)行快速熱退火；對激光器部分，通過全息曝光，采用干法刻蝕的方法刻蝕掉5個(gè)量子阱形成增益光柵。在光柵制作完畢以后，繼續(xù)用MOCVD進(jìn)行外延，生長p-Ga1-xAlxAs上限制層(厚度1000nm，x＝0.45，摻雜濃度約5×1017cm-3)和p+-GaAs歐姆接觸層(厚度300nm，摻雜濃度約1×1019cm-3)。
激光器長400μm，采用低脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊寬為2μm，深約1.5μm。調(diào)制器長100μm采用高脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，調(diào)制器脊寬為2μm，深約4μm。為了提高調(diào)制器速度，在調(diào)制器電極臺下加有約4μm厚聚酰亞胺絕緣層。在激光器和調(diào)制器表面采用300nm厚的SiO2絕緣層，將脊上的SiO2去掉，使金屬電極與脊波導(dǎo)的歐姆接觸層連接。通過質(zhì)子注入實(shí)現(xiàn)激光器和調(diào)制器的電隔離。調(diào)制器電極面積約104μm2。在調(diào)制器端面鍍抗反射介質(zhì)膜，鍍膜后反射率約1％。
本實(shí)施例的特征參數(shù)為激光器閾值電流典型值為20mA，調(diào)制器端輸出斜效率平均為10％，邊模抑制比達(dá)到40dB。調(diào)制器消光比達(dá)到10dB，管芯小信號調(diào)制帶寬達(dá)到32GHz，可用于40Gb/s速率信息傳輸用途。
權(quán)利要求
1.一種分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器與電吸收(EA)調(diào)制器的單片集成光源，在DFB激光器中有光柵結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的DFB激光器的光柵是采用由周期性排列的有源層材料形成的光柵結(jié)構(gòu)，而且所述的集成光源的有源層材料采用同一次外延生長而成的量子阱結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成光源，其特征在于所述的有源層材料采用選擇性區(qū)域外延技術(shù)形成的量子阱結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成光源，其特征在于所述的有源層材料采用同一外延層技術(shù)形成的量子阱結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成光源，其特征在于所述的有源層材料采用量子阱部分無序技術(shù)形成的量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的集成光源，其特征在于所述的有源區(qū)材料是對應(yīng)于1260nm～1600nm的輸出波長的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4所述的集成光源，其特征在于所述的有源區(qū)材料是對應(yīng)于700nm～1000nm的輸出波長的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6所述的集成光源，其特征在于所述DFB激光器光柵中包括的量子阱個(gè)數(shù)在1到N的范圍內(nèi)，其中N為外延生長的集成光源有源層的量子阱個(gè)數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～5，7所述的DFB激光器，其特征在于輸出波長范圍為1260nm～1600nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～4，6，7所述的DFB激光器，其特征在于輸出波長范圍為700nm～1000nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9所述的集成光源，其特征在于所述的EA調(diào)制器端面上有一層使端面反射率的范圍在10-8到10％的介質(zhì)膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10所述的集成光源，其特征在于所述的DFB激光器端面上有一層使端面反射率的范圍在10％到99.99％的介質(zhì)膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成光源的制作方法，其特征在于所述的集成光源的有源層可以在一次外延過程中生長完畢，可以通過提高有源層量子阱個(gè)數(shù)來提高所述的EA調(diào)制器的調(diào)制速率，并通過刻蝕有源層材料實(shí)現(xiàn)所述的DFB激光器中的光柵。
全文摘要
分布反饋半導(dǎo)體激光器與電吸收調(diào)制器集成光源及制法，屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于所述的DFB激光器采用由周期性排列的有源層材料形成的光柵結(jié)構(gòu)，所述的集成光源的有源層材料采用一次外延生長實(shí)現(xiàn)的量子阱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還包括上述集成光源的制作工藝，其特征在于所述的集成光源的有源層可以在一次外延過程中生長完畢，可以通過提高有源層量子阱個(gè)數(shù)來提高所述的EA調(diào)制器的調(diào)制速率，并通過刻蝕有源層材料實(shí)現(xiàn)所述的DFB激光器中的光柵。本發(fā)明綜合考慮了DFB激光器和EA調(diào)制器性能優(yōu)化的趨勢，同時(shí)優(yōu)化集成光源中兩個(gè)器件的性能，并且制作工藝簡單。在高速光纖通信系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號H01S5/026GK1452284SQ0312422
公開日2003年10月29日 申請日期2003年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月1日
發(fā)明者羅毅, 王健, 孫長征, 熊兵 申請人:清華大學(xué)