專利名稱：一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體慢光有源器件設(shè)計及光子光電子器件設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉 及一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器。
背景技術(shù)：
新一代光通信、光存儲及光子集成要求單元器件尺寸不斷縮小，光子晶體由于其 自身的特點，近年來一直是研究的熱點，其各種效應(yīng)也不斷被發(fā)現(xiàn)和利用。幾乎所有的有源 和無源光子器件都可以用光子晶體的理論和材料來設(shè)計制造。光子晶體的許多獨特之處引 人矚目，如基于光子晶體帶隙的小尺寸大角度彎折無損耗波導(dǎo)、基于帶邊超大色散效應(yīng)的 超棱鏡，以及基于光子晶體負(fù)折射效應(yīng)的突破衍射極限的成像透鏡。其中，光子晶體帶邊慢 光效應(yīng)非常引人關(guān)注，它可以在微小尺度內(nèi)極大增強光和物質(zhì)的相互作用，有效控制輻射 速率，基于此的各種微納腔激光器已經(jīng)實現(xiàn)超低閾值激射，特殊腔結(jié)構(gòu)的光子晶體激光器 具有高達IOOGbps調(diào)制速率?；诼庑?yīng)的調(diào)制器、光開關(guān)、光延遲器尺寸可以縮小1個或幾個數(shù)量級?；?慢光效應(yīng)的半導(dǎo)體光放大器在信號放大、波長變換、光邏輯門、光計算、光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的碼型 變換、色散監(jiān)測和光碼分多址復(fù)用收發(fā)模塊等方面都有重要應(yīng)用，慢光結(jié)構(gòu)的采用可以大 幅度縮短腔長，從而大幅度減小尺寸，降低功耗，提高速率。此前有文獻報道了以光子晶體線缺陷為主的慢光半導(dǎo)體光放大器(SOA)設(shè)計，群 折射率可以達到50以上，但是都是基于橫電(TE)模式工作的，橫磁(TM)模式工作的未見 報道。這主要是因為TM模式用普通的光子晶體結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)，但是這類偏振器件在光子集 成中是很重要的。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題現(xiàn)有的光子晶體慢光半導(dǎo)體光放大器，一般工作于TE模式下，不能滿足TM偏振模 式放大特性的需要，對此本發(fā)明的主要目的在于提供一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo) 體光放大器。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大 器，該半導(dǎo)體光放大器包括縱向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)，其中縱向結(jié)構(gòu)為縱向弱限制結(jié)構(gòu)或空氣 橋結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)采用蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，并引入線缺陷作為導(dǎo)光區(qū)。上述方案中，所述縱向弱限制結(jié)構(gòu)是在III-V族半導(dǎo)體襯底上利用沉積工藝生長 的多層薄膜，其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信波段橫磁基模有效折射率在3. 0至3. 2。上述方案中，所述在III-V族半導(dǎo)體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜，由上 到下依次為空氣/半導(dǎo)體材料蓋層/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層/襯底材料。上述方案中，所述半導(dǎo)體材料蓋層、緩沖層和襯底材料均采用磷化銦，所述半導(dǎo)體
3材料蓋層及銦鎵砷磷多量子阱層的厚度均為200至300納米。上述方案中，所述空氣橋結(jié)構(gòu)由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多量子阱層/空氣 層/襯底材料，其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信波段橫磁基模有效折射率在2. 9至3. 0。上述方案中，所述襯底材料采用磷化銦，所述銦鎵砷磷多量子阱層的厚度為250 至350納米。上述方案中，所述蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔半徑R與周期P的比值大于0. 16時則有橫 磁光子帶隙出現(xiàn)。上述方案中，所述蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，通過去掉兩行孔形成波導(dǎo)，該波導(dǎo)通過能帶結(jié)構(gòu) 即色散關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)其橫磁缺陷態(tài)具有大的群折射率，即慢光效應(yīng)，群折射率達到50以 上，能夠使光和物質(zhì)作用加強。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，采用蜂窩晶格 引入線缺陷的光子晶體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高群折射率，達到50或更高，且是TM偏振工作模式， 與多量子阱有源區(qū)結(jié)合實現(xiàn)TM模式的放大，慢光效應(yīng)增強了光和增益介質(zhì)作用，大幅度縮 短腔長。2、本發(fā)明提供的這種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，通過調(diào)整中間 波導(dǎo)的寬度可以改變慢光工作中心波長，調(diào)整放大效果。對于空氣橋結(jié)構(gòu)可以采取光泵方 式工作，而對于縱向弱限制結(jié)構(gòu)可以采取電泵。3、本發(fā)明提供的這種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，通過合理調(diào)整 占空比及增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其工作于通信波段，應(yīng)用于未來高密度光子或光電子集成芯片。


圖1是TM偏振光子晶體慢光效應(yīng)SOA縱向結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)是弱折射率限制 結(jié)構(gòu)，(b)是空氣橋結(jié)構(gòu)；圖2是TM偏振光子晶體慢光效應(yīng)SOA橫向結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)、(b)和(c)分別是R/P為0. 28、0. 31和0. 41時的完整晶格TM色散關(guān)系， 圖3(d)為孔半徑R與周期P的比值R/P取0.41時，去掉兩行孔所形成線缺陷結(jié)構(gòu)的Γ-Μ 方向能帶圖，箭頭所指曲線為慢光模式色散關(guān)系線；圖3(e)為慢光模式分布圖；圖3(f)為 慢光模式群折射率與波長關(guān)系；圖4是TM偏振光子晶體慢光效應(yīng)SOA中的光場傳輸示意圖；圖5(a)、(b)、(C)和(d)分布是光脈沖在不同注入下的放大傳輸，監(jiān)測點間隔為 3. 5微米，時間軸用微米表示(即T*c*le+6，T為國際單位制的時間，c為真空光速)，不同 注入條件分別為(a) 3e+16A/m3 ； (b) 5e+16A/m3 ； (c) 8e+16A/m3 ； (d) 10e+16A/m3 ；圖6是不同注入下TM光子晶體慢光效應(yīng)SOA增益特性，放大長度為7微米。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
光子晶體慢光效應(yīng)波導(dǎo)是光子晶體慢光器件設(shè)計的基礎(chǔ)。光子晶體慢光波導(dǎo)應(yīng)用 的是在光子帶隙中引入的缺陷態(tài)，其一階色散呈現(xiàn)出高群折射率，這是進行慢光波導(dǎo)設(shè)計 的理論基礎(chǔ)。一般的慢光波導(dǎo)都是工作于橫電(TE)模式下，因為用普通的晶格結(jié)構(gòu)(三角 或四方)橫磁(TM)模式下，光子帶隙及缺陷態(tài)都很難實現(xiàn)，目前的半導(dǎo)體光放大器(SOA) 設(shè)計也是基于TE模式下。本發(fā)明將提出一種具有TM偏振慢光模式的光子晶體SOA結(jié)構(gòu)，晶格采用的是蜂窩 結(jié)構(gòu)，在一般的占空比下即可形成光子帶隙，通過引入缺陷而形成慢光模式波導(dǎo)。增益介質(zhì) 采用半導(dǎo)體多量子阱結(jié)構(gòu)，利用慢光效應(yīng)可以大幅度縮短SOA的腔長，適于小尺寸光子光 電子集成的需要。橫向結(jié)構(gòu)如圖1所示，縱向結(jié)構(gòu)可以是弱折射率限制也可以是空氣橋結(jié) 構(gòu)。本發(fā)明提供的這種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，包括縱向結(jié)構(gòu)及 橫向結(jié)構(gòu)，縱向結(jié)構(gòu)可分為兩種，一種為縱向弱限制結(jié)構(gòu)，即在三五族半導(dǎo)體襯底上利用沉 積工藝生長的多層薄膜，常用的如圖1(a)的分布，由上到下依次為空氣/半導(dǎo)體材料蓋層 (如磷化銦)/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層(如磷化銦)/襯底材料(如磷化銦)，各層厚 度在圖上標(biāo)出，其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信波段TM基模有效折射率在3. 0至3. 2左右。另 外將通過調(diào)整芯區(qū)量子阱數(shù)目來控制高折射率區(qū)厚度，以保證單模，一般多量子阱層及蓋 層厚度分別為200至300納米。另一種空氣橋結(jié)構(gòu)，常用的如圖1(b)的分布，由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多 量子阱層/空氣層/襯底材料(如磷化銦)，各層厚度在圖上標(biāo)出，其形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光 通信波段TM基模有效折射率在2. 9至3. 0左右。也可以通過調(diào)整芯區(qū)量子阱數(shù)目來控制 高折射率區(qū)厚度，以保證單模，一般厚度為250至350納米。橫向結(jié)構(gòu)的設(shè)計以此為基礎(chǔ)，采用蜂窩晶格結(jié)構(gòu)如圖2所示，周期為P，孔半徑為 R，該結(jié)構(gòu)當(dāng)R/P大于0. 16時即有TM光子帶隙出現(xiàn)。通過去掉兩行孔形成波導(dǎo)，該波導(dǎo)通 過能帶結(jié)構(gòu)即色散關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)其TM缺陷態(tài)具有大的群折射率，即慢光效應(yīng)，群折射率達 到50以上，這能夠使光和物質(zhì)作用加強。在本發(fā)明中，通過調(diào)整中間結(jié)構(gòu)Wl的寬度，可以對模式進行控制，該結(jié)構(gòu)為非刻 蝕區(qū)。本發(fā)明提供的這種基于光子晶體空氣橋結(jié)構(gòu)及縱向弱折射率導(dǎo)引的光子晶體結(jié) 構(gòu)，以光電子器件常用的多層薄膜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，如多量子阱，在制作過程中三五族半導(dǎo)體銦 鎵砷磷體系形成如圖1(a)所示結(jié)構(gòu)，或者通過干法和濕法混合刻蝕形成如圖1(b)這種有 空氣夾層的所謂空氣橋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明稱之為縱向結(jié)構(gòu)其實就是如圖1所示的兩種結(jié)構(gòu)，這 里要求C波段TM模式有效折射率為2. 9至3. 2左右。光子晶體結(jié)構(gòu)就貫穿在如圖1所示 的襯底以上結(jié)構(gòu)中，為保證縱向單模，各層厚度一般在幾百納米，兩種縱向結(jié)構(gòu)各層要求不 同，已在圖中標(biāo)出，蜂窩晶格(如圖2)周期P取200-220納米，孔半徑R取0. 41P，中間去 掉兩行孔，TM缺陷態(tài)具有高群折射率，從而能夠增強光和物質(zhì)相互作用，利用此效應(yīng)制作 S0A，能夠縮短腔長。本發(fā)明選取的參數(shù)使其工作于通信波段，即1550納米波長附近。與文 獻上發(fā)表的TE線缺陷慢光波導(dǎo)不同的是，本發(fā)明的慢光模式為TM偏振。圖2中如果對Wl進行調(diào)整，則邊緣孔將會受影響，從而可以調(diào)整慢光波長位置，對 慢光帶寬也有影響，這里帶寬指慢光工作區(qū)域，要求在此區(qū)域只有一個橫向磁場模式存在。
圖3是通過能帶求解工具得到的蜂窩狀光子晶體及引入線缺陷的能帶結(jié)構(gòu)，其中 圖3 (a)、(b)和(c)分別是R/P為0.28、0. 31和0.41時的完整蜂窩晶格TM色散關(guān)系，圖 3(d)為R/P取0.41時，去掉兩行孔線缺陷結(jié)構(gòu)的Γ-Μ方向能帶圖，箭頭所指曲線為慢光模 式色散關(guān)系線；圖3(e)為慢光模式場分布圖；圖3(f)為慢光模式群折射率與波長關(guān)系。圖4是對慢光波導(dǎo)在工作中心波長處做時域有限差分分析得到的慢光傳輸效果 圖。圖5是光脈沖在不同注入下的放大傳輸，監(jiān)測點間隔為3. 5微米，時間軸用微米表示 (即T*c*le+6，T為國際單位制的時間，c為真空光速)，不同注入條件分別為(a)3e+16A/ m3 ;(b)5e+16A/m3 ;(c)8e+16A/m3 ;(d)10e+16A/m3。圖 6 為不同注入下 TM 光子晶體慢光效應(yīng) SOA增益特性，放大長度為7微米?？梢婋S著注入的不斷加大，增益也在增加，但實際上達到 一定注入密度，激振就會發(fā)生，這是不希望看到的?？傊?，通過將半導(dǎo)體材料與特殊光子晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠產(chǎn)生TM慢光效應(yīng)，增 強了光和物質(zhì)的作用，使得在小腔長，低注入下就可實現(xiàn)光信號的放大。該SOA特征在于尺 寸小巧，能夠?qū)M偏振光高效放大，在光子光電子集成中將會有重要應(yīng)用。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于，該半導(dǎo)體光放大器包括縱向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)，其中縱向結(jié)構(gòu)為縱向弱限制結(jié)構(gòu)或空氣橋結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)采用蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，并引入線缺陷作為導(dǎo)光區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述縱向弱限制結(jié)構(gòu)是在III-V族半導(dǎo)體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜，其形成的 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信波段橫磁基模有效折射率在3. 0至3. 2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述在III-V族半導(dǎo)體襯底上利用沉積工藝生長的多層薄膜，由上到下依次為空氣/半導(dǎo) 體材料蓋層/銦鎵砷磷多量子阱層/緩沖層/襯底材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述半導(dǎo)體材料蓋層、緩沖層和襯底材料均采用磷化銦，所述半導(dǎo)體材料蓋層及銦鎵砷磷 多量子阱層的厚度均為200至300納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述空氣橋結(jié)構(gòu)由上到下依次為空氣/銦鎵砷磷多量子阱層/空氣層/襯底材料，其形成 的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在光通信波段橫磁基模有效折射率在2. 9至3. 0。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述襯底材料采用磷化銦，所述銦鎵砷磷多量子阱層的厚度為250至350納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)孔半徑R與周期P的比值大于0. 16時則有橫磁光子帶隙出現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，其特征在于， 所述蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，通過去掉兩行孔形成波導(dǎo)，該波導(dǎo)通過能帶結(jié)構(gòu)即色散關(guān)系分析發(fā)現(xiàn) 其橫磁缺陷態(tài)具有大的群折射率，即慢光效應(yīng)，群折射率達到50以上，能夠使光和物質(zhì)作 用加強。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種橫磁偏振光子晶體慢光效應(yīng)半導(dǎo)體光放大器，該半導(dǎo)體光放大器包括縱向結(jié)構(gòu)和橫向結(jié)構(gòu)，其中縱向結(jié)構(gòu)為縱向弱限制結(jié)構(gòu)或空氣橋結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)采用蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，并引入線缺陷作為導(dǎo)光區(qū)。本發(fā)明采用蜂窩晶格引入線缺陷的光子晶體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高群折射率，達到50或更高，且是橫磁偏振工作模式，與多量子阱有源區(qū)結(jié)合實現(xiàn)橫磁模式的放大，慢光效應(yīng)增強了光和增益介質(zhì)作用，大幅度縮短腔長。
文檔編號H01S5/343GK101976801SQ20101027768
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者張冶金, 渠紅偉, 邢名欣, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所