專利名稱：具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及一種具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu) 的光學(xué)器件和包括這樣的光學(xué)器件的光信號(hào)處理單元。
背景技術(shù)：
為了獲得具有改進(jìn)性能的光學(xué)器件，采用諸如InAs/InGaAsP之類 的結(jié)構(gòu)的、基于量子點(diǎn)的器件變得越來越具有吸引力。典型地，襯底 由InP制成，活性材料是嵌入InGaAsP勢(shì)壘內(nèi)的InAs量子點(diǎn)。這種器件
的示例是激光源、光放大器、光傳感器(檢測(cè)器)等。在使用基于量 子點(diǎn)的器件的方面的關(guān)注主要在于它們能夠提供低啁啾、低噪聲、對(duì) 溫度的低靈敏度以及寬波長(zhǎng)應(yīng)用。
量子阱和量子點(diǎn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域中是公知的。簡(jiǎn)而言之， 將量子阱結(jié)構(gòu)布置為允許電子或空穴沿著兩個(gè)空間維度進(jìn)行傳播，同 時(shí)在第三維度上限制該傳播，而將量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)布置為在三個(gè)維度中限 制載體。
對(duì)于光學(xué)器件而言，使用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于利用這樣 的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鎖模激光器中相對(duì)較低的定時(shí)抖動(dòng)。
然而，基于量子點(diǎn)的器件關(guān)于偏振方面承受相對(duì)較高的靈敏度。 這是一個(gè)缺陷，原因如下眾所周知，可以使從光源發(fā)射的光信號(hào)發(fā) 生偏振。這意味著光信號(hào)的分量的振蕩方向垂直于光信號(hào)自身的傳播 方向。偏振的公知示例是具有分別被稱作TE模和TM模的電分量和磁 分量的偏振。所發(fā)射的光信號(hào)通常通過光纖向光接收機(jī)傳播。實(shí)際上， 當(dāng)偏振光信號(hào)沿著光纖傳播時(shí)，該偏振光信號(hào)在其偏振態(tài)方面經(jīng)受特 定的失真。這是由于光纖通常不能將偏振模式保持在從光源發(fā)射時(shí)的 原始狀態(tài)。因此，在接收機(jī)端接收到具有失真偏振的光信號(hào)。因此， 如果該接收機(jī)是偏振敏感器件，則其將不能正確處理接收到的光信號(hào)。如上所述，基于量子點(diǎn)的器件是偏振敏感的，并因此具有該缺點(diǎn)。
為了克服該問題，已知特定的解決方案。這些解決方案之一涉及
將基于塊體(bulk-based)的激光器與基于量子點(diǎn)的激光器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。 然而，這兩種器件的級(jí)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上復(fù)雜、尺寸增大以及成本升高， 并可能引起耦合損耗。
另一解決方案涉及分離光信號(hào)以改變其偏振。在這樣的情況下， 分離輸入信號(hào)以將信號(hào)分成兩個(gè)偏振，TM和TE。 TM部分然后由偏振 器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在被發(fā)送至SOA中之前與TE部分進(jìn)行重新組合。然而， 由于該解決方案并不容易實(shí)現(xiàn)，這是由于在重新組合過程中需要避免 兩個(gè)臂之間的相消干涉(destructive interference),此外還會(huì)引起封裝 成本的大幅升高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服或?qū)嵸|(zhì)上減少上述缺點(diǎn)。本發(fā)明提出的解 決方案涉及極薄層材料作為分隔部的使用，該材料對(duì)由堆疊的先前量 子點(diǎn)層所感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)不敏感。這樣的材料可以是諸如InP或GaAS或 GaP等二元材料，然而，由于InP提供了相對(duì)更好的平滑特性，因此InP 是優(yōu)選的。
在沉積后續(xù)量子點(diǎn)層之前，有效地使分隔層的生長(zhǎng)面變得平滑。 實(shí)際上，二元分隔部的沉積過程也會(huì)引起在沉積過程自身期間該分隔 部的正面的平滑生長(zhǎng)。
該解決方案允許在不引起實(shí)質(zhì)上不均勻的展寬或位錯(cuò)的情況下 緊密地堆疊量子點(diǎn)層。
有利地，只要該附加InP層足夠薄，該附加InP層就可以允許在量 子點(diǎn)之間通過隧穿效應(yīng)而有效耦合。實(shí)際上，盡管厚度甚至可以低至 lnm，但厚度為5nm以下的InP層就被視為足夠薄以允許隧穿效應(yīng)。在 該范圍內(nèi)， 一些優(yōu)選值可以是2-3nm，這是由于平滑的效率隨著InP的 厚度而提高。因此，InP層(分隔部)用于使表面變平滑，并且載體可 以在該InP層中開辟隧穿，以便在量子點(diǎn)層之間提供所需的耦合。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提供了一種制造具有一個(gè)或多個(gè)量子
5點(diǎn)層以及一個(gè)或多個(gè)勢(shì)壘層的光學(xué)器件的方法，所述方法包括在勢(shì) 壘層上生長(zhǎng)分隔層的步驟，其中，所述分隔層適于實(shí)質(zhì)上阻擋由量子 點(diǎn)層所感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，所生長(zhǎng)的分隔層具有帶實(shí)質(zhì)上平滑表面的生長(zhǎng)面。
優(yōu)選地，在所述分隔層上生長(zhǎng)后續(xù)勢(shì)壘層，所述后續(xù)勢(shì)壘層具有 帶實(shí)質(zhì)上平滑表面的生長(zhǎng)面。
優(yōu)選地，InP材料的分隔層位于后續(xù)量子點(diǎn)層之間，并且在使用中
允許在量子點(diǎn)層之間通過隧穿效應(yīng)進(jìn)行耦合。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提供了一種具有一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)層 以及一個(gè)或多個(gè)勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件還包括勢(shì)壘 層上的分隔層，其中，所述分隔層適于實(shí)質(zhì)上阻擋由勢(shì)壘層所感應(yīng)的 應(yīng)變場(chǎng)。
優(yōu)選地，所述光學(xué)器件可以具有兩個(gè)或更多個(gè)量子點(diǎn)層以及三個(gè) 或更多個(gè)勢(shì)壘層。
優(yōu)選地，所述分隔層具有實(shí)質(zhì)上平滑的表面。
優(yōu)選地，在分隔層上生長(zhǎng)后續(xù)勢(shì)壘層，所述后續(xù)勢(shì)壘層具有實(shí)質(zhì) 上平滑的表面。
優(yōu)選地，所述分隔層由二元材料制成。
優(yōu)選地，所述二元材料是InP。
優(yōu)選地，所述分隔層的厚度大約為3nm。
優(yōu)選地，兩個(gè)后續(xù)量子點(diǎn)層之間的間隔大約為5nm。
優(yōu)選地，InP材料的分隔層位于后續(xù)量子點(diǎn)層之間，適于允許在量
子點(diǎn)層之間通過隧穿效應(yīng)進(jìn)行耦合。
結(jié)合附圖，在以下說明書和權(quán)利要求中更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這
些及其他特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖l是根據(jù)傳統(tǒng)方法而構(gòu)造的、具有一堆三個(gè)量子點(diǎn)層的光學(xué)器 件的顯微鏡圖像的圖示。圖2是根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)造的光學(xué)器件的顯微鏡圖像的圖示。
具體實(shí)施例方式
如上所述，期望提供對(duì)偏振不敏感或至少呈現(xiàn)實(shí)質(zhì)上較低偏振靈 敏度的、基于量子點(diǎn)的器件。這樣的器件可以典型地提供改進(jìn)的定時(shí) 抖動(dòng)特性。
根據(jù)夸張的考慮認(rèn)為，如果量子點(diǎn)層彼此緊密地堆疊從而便于堆 疊的量子點(diǎn)之間的強(qiáng)電子耦合，則可以降低偏振靈敏度。
然而，實(shí)驗(yàn)嘗試證明，在不使器件的性能發(fā)生極大惡化的前提下， 在技術(shù)上很難堆疊具有極薄分隔部的大量量子點(diǎn)層。在堆疊大量量子 點(diǎn)層方面的關(guān)注集中于獲得可接受等級(jí)的增益。通過堆疊大量量子點(diǎn) 層，偏振靈敏度可以變得更加可預(yù)測(cè)，然而，這將需要具有極薄分隔
部的相對(duì)較多的一堆層，例如大約10個(gè)。獲得可接受等級(jí)的增益的另 一條件是使用具有相對(duì)較好質(zhì)量的層。
實(shí)際上， 一個(gè)困難在于將相鄰量子點(diǎn)層之間的間隔減小至期望 的等級(jí)。根據(jù)當(dāng)前的報(bào)告，在1.55pm的基于量子點(diǎn)的器件中，已獲得 僅有四個(gè)量子點(diǎn)層的大約10nm厚度的分隔部。這看起來是針對(duì)能夠適 當(dāng)操作的期間所能獲得的最薄間隔。已知更薄的間隔會(huì)產(chǎn)生在相鄰量 子點(diǎn)層之間感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)。
在本說明書中， 一大堆量子點(diǎn)層可以包括9個(gè)或更多個(gè)層，薄分 隔層可以為大約3nm。
圖l示出了傳統(tǒng)光學(xué)器件l的一部分的圖像的圖示，該圖像是通過 透射電子顯微鏡(TEM)拍攝的。光學(xué)器件l具有典型地由InP制成的 n-披覆層(n-cladding)部分ll。光學(xué)器件l被示出為具有在襯底ll上 已生長(zhǎng)的、由例如GalnAsP或AlGalnAs制成的多個(gè)勢(shì)壘和限制層12 。 箭頭A示出了生長(zhǎng)方向。在各個(gè)勢(shì)壘層12之間提供了量子點(diǎn)層13。從 圖中可以清楚地看出，量子點(diǎn)層13的各個(gè)表面以及勢(shì)壘層12的各個(gè)表 面是粗糙的(不平滑的)。此外，表面的形狀的粗糙度隨著從下量子點(diǎn) 層向上量子點(diǎn)層(沿著箭頭A的方向)而增大。在圖中，可以觀察到， 與襯底ll的下表面相比，器件的上表面14呈現(xiàn)出更高的粗糙等級(jí)。這主要是由于以下事實(shí)在層的生長(zhǎng)過程中，量子點(diǎn)層13的上界面或表 面(其為粗糙的)在勢(shì)壘層12的沉積期間還沒有變平滑。粗糙度通常
是由于諸如GalnAsP之類的勢(shì)壘材料對(duì)在生長(zhǎng)期間由先前量子點(diǎn)層所 感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)的高靈敏度而引起的。如在圖l中可觀察到的，隨著粗糙 度增大，沿著箭頭A的方向，量子點(diǎn)層13的厚度也從下量子點(diǎn)層向上 量子點(diǎn)層而增加。因此，應(yīng)變場(chǎng)沒有被阻擋，并且應(yīng)變場(chǎng)的效應(yīng)隨著 堆疊數(shù)目的增加而增大。如上所述，當(dāng)期望緊密堆疊的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)變 場(chǎng)是有害的。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)器件的一部分的圖像的圖 示。圖像本身是通過透射電子顯微鏡(TEM)拍攝的。應(yīng)當(dāng)注意，該 圖像僅作為示例示出，并不被解釋為限制本發(fā)明的范圍。
在圖2中，示出了位于各個(gè)勢(shì)壘層12之間的一堆量子點(diǎn)層13a和 13b，并且箭頭A示出了生長(zhǎng)方向。
根據(jù)本發(fā)明，分隔層15沉積在各個(gè)勢(shì)壘層12上。分隔層的材料對(duì) 應(yīng)變場(chǎng)不敏感，或者由于分隔層15沉積在勢(shì)壘層12的粗糙表面上，因 而分隔層15至少能夠?qū)嵸|(zhì)上阻擋應(yīng)變場(chǎng)的效應(yīng)。如上所述，諸如InP 之類的二元材料是可用于該目的的材料的示例。應(yīng)當(dāng)注意，在現(xiàn)實(shí)中， 由于利用現(xiàn)實(shí)生活的材料可能無法獲得理想條件，因而用作分隔部的 材料可能不是對(duì)應(yīng)變場(chǎng)絕對(duì)不敏感的。因此，在本說明書中，應(yīng)當(dāng)在 相對(duì)意義上將對(duì)應(yīng)變場(chǎng)"不敏感"的材料的引用理解為能夠?qū)嵸|(zhì)上阻 擋應(yīng)變場(chǎng)效應(yīng)的材料。
如圖2所示，量子點(diǎn)層13a呈現(xiàn)了粗糙表面16a。勢(shì)壘層12沉積在量 子點(diǎn)層13a上，當(dāng)沉積完成時(shí)，由于量子點(diǎn)層13a的粗糙度，量子點(diǎn)層 13a形成粗糙表面16b。接下來，分隔層15沉積在勢(shì)壘層12的表面16b 上。由于分隔層15對(duì)應(yīng)變場(chǎng)不敏感，因而分隔部15的由此產(chǎn)生的表面 17a是實(shí)質(zhì)上平滑的(沒有粗糙度的)。因此，在該平滑表面17a上生長(zhǎng) 了后續(xù)勢(shì)壘層勢(shì)壘12。因此，避開了應(yīng)變場(chǎng)，并且獲得了勢(shì)壘層12的 平滑上表面17b。
因此，由于中間分隔層15在生長(zhǎng)面(growth front)上具有平滑表 面，因而允許在其上生長(zhǎng)相對(duì)較薄的勢(shì)壘層12，從而可以堆疊相對(duì)較多的量子點(diǎn)層。實(shí)驗(yàn)表明，甚至一堆多達(dá)20個(gè)量子點(diǎn)層也不會(huì)感應(yīng)出
器件結(jié)構(gòu)中的任何實(shí)質(zhì)位錯(cuò)(dislocation^
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，制成了一種樣本器件，該器件具有一堆10個(gè)量 子點(diǎn)層，其中，由InP材料制成的、厚度為3nm的分隔層位于厚度均為 lnm的兩個(gè)勢(shì)壘之間。使用單一橫模激光技術(shù)對(duì)該器件進(jìn)行了處理。 結(jié)果為閾值電流lTh大約為50mA，外部效率大約為0.1W/A每面(W/A 每面是器件的效率，表示輸出功率的閾值(瓦特)與注入該器件的電 流(安培)之比)。因此，實(shí)驗(yàn)表明，成功實(shí)現(xiàn)了在不引入非輻射缺陷 的前提下對(duì)10個(gè)量子點(diǎn)層的大約5nm間隔的緊密堆疊，g卩，分隔層厚 度3nm加上與分隔層兩側(cè)的厚度均為lnm的兩個(gè)勢(shì)壘相對(duì)應(yīng)的2nm。
本發(fā)明提出的解決方案在不使堆疊的材料質(zhì)量發(fā)生惡化的前提 下，提供了可能制造出具有緊密堆疊的量子點(diǎn)層的光學(xué)器件的重要優(yōu) 點(diǎn)。因此，具有提供了較低定時(shí)抖動(dòng)、較大光帶寬等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)的、潛 在的、基于量子點(diǎn)的器件變得與偏振不敏感操作兼容。通過提供這樣 的器件，如上所述，可以利用這些器件的其他潛在有益特性以應(yīng)用于 光纖通信。利用本發(fā)明提出的解決方案，可以制造出具有高溫行為、 改進(jìn)特性的寬帶半導(dǎo)體光放大器(SOA)。另一優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)低啁 啾放大。
可以在用于執(zhí)行光信號(hào)處理的任何單元中使用本發(fā)明的器件，該 光信號(hào)處理例如但不限于時(shí)鐘恢復(fù)、光放大、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換或信號(hào)處理。
此外，應(yīng)當(dāng)注意，與所要求的手段相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)列表并不是詳盡 的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，等同 的結(jié)構(gòu)可以替代所引述的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種制造具有一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)層以及一個(gè)或多個(gè)勢(shì)壘層的光學(xué)器件的方法，所述方法包括在勢(shì)壘層上生長(zhǎng)分隔層的步驟，其中，所述分隔層適于實(shí)質(zhì)上阻擋由所述勢(shì)壘層感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，所生長(zhǎng)的分隔層具有帶實(shí) 質(zhì)上平滑表面的生長(zhǎng)面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，在所述分隔層上生長(zhǎng)后續(xù) 勢(shì)壘層，其中，所述后續(xù)勢(shì)壘層具有帶平滑表面的生長(zhǎng)面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中，InP材料的分隔層位于后續(xù)量子點(diǎn)層之間，并在使用中允許在量子點(diǎn)層之間通過隧穿效應(yīng)進(jìn)行耦 合。
5、 一種具有一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)層以及一個(gè)或多個(gè)勢(shì)壘層的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件還包括勢(shì)壘層上的分隔層，其中，所述分隔層 適于實(shí)質(zhì)上阻擋由勢(shì)壘層感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述光學(xué)器件可以具有兩個(gè)或更多個(gè)量子點(diǎn)層以及三個(gè)或更多個(gè)勢(shì)壘層。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述分隔層具有實(shí)質(zhì)上平滑的表面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，在所述分隔層上生長(zhǎng)后續(xù)勢(shì)壘層，其中，所述后續(xù)勢(shì)壘層具有實(shí)質(zhì)上平滑的表面。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述分隔層由二元材料制成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)器件，其中，所述二元材料是InP。
11、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，所述分隔層具有大 約3nm的厚度。
12、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，兩個(gè)后續(xù)量子點(diǎn)層 之間的間隔大約是5nm。
13、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中，InP材料的分隔層位 于后續(xù)量子點(diǎn)層之間，適于允許在量子點(diǎn)層之間通過隧穿效應(yīng)進(jìn)行耦
14、 一種用于執(zhí)行光信號(hào)處理的單元，包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的單元，所述單元是時(shí)鐘恢復(fù)單元。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的單元，所述單元是光放大單元。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的單元，所述單元是波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換單元。
18、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的單元，所述單元是信號(hào)處理單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造光學(xué)器件的方法以及一種光學(xué)器件，該光學(xué)器件具有位于勢(shì)壘層(12)中間的一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn)層(13)。在勢(shì)壘層(12)上生長(zhǎng)了分隔層(15)，以致分隔層(15)適于實(shí)質(zhì)上阻擋由量子點(diǎn)層感應(yīng)的應(yīng)變場(chǎng)，從而針對(duì)后續(xù)勢(shì)壘層(12)產(chǎn)生平滑的生長(zhǎng)面。
文檔編號(hào)H01S5/50GK101609960SQ20091014753
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者弗朗索瓦·勒拉爾熱, 弗朗西斯·普安特, 弗雷德里克·波默羅, 羅曼·布勒諾, 邦雅曼·魯索, 阿蘭·阿卡爾 申請(qǐng)人:阿爾卡特朗訊