CN106961071B - 一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，包括有源层，以及分别生长于有源层上表面和下表面的上波导层和下波导层，有源层的折射率与上波导层或者下波导层的折射率的差值小于或者等于阈值，使得基模强光场从有源层扩散至所述下波导层。有源区与波导区折射率之差对光场具有限制作用，并影响光场分布，因此，通过限制有源层的折射率与所述上波导层或者所述下波导层的折射率的差值在阈值内，使得有源层的光场限制因子的大小得到限制，形成弱波导，有源层光场强度分布不再是最大值，基模强光场分布由原来的有源层扩散至上波导层和下波导层，形成大尺寸基模光斑，提高了饱和输出功率和光束质量，具有工艺简单、性能稳定、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光放大器技术领域，特别涉及一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器。
背景技术
半导体光放大器由有源区和无源区构成，有源区为增益区，使用半导体材料制作，半导体光放大器的原理主要取决于有源层的介质特性和激光腔的特性。具体的，在入射光子的作用下，有源区受激辐射产生光放大。近年来，随着科技的发展，半导体光放大器有一系列优势，如功耗低，波长灵活性大，尺寸小，重量轻，电光转换效率高以及便于与其他半导体光电子器件单片集成等。目前，自由空间光通信、人眼安全激光测距和成像、取样用低抖动锁膜激光器等领域都急需1.55μm波段饱和输出功率超过1W的半导体光放大器。
然而，传统单模的脊形波导半导体光放大器的尺寸小，有源区光限制因子大，限制其输出功率约为100mW，而且小的模式尺寸需要用透镜来匹配输入输出单模光纤，增加了封装的复杂性。为了增加半导体光放大器的饱和输出功率，需要增加模式体积，降低微分增益，减小载流子寿命，降低波导损耗，通过优化有源区结构减少光场限制因子。因此，现有技术中又提出将半导体光放大器做成锥形放大区，通过增加有源区宽度来获得高饱和输出功率，但是这种结构会寄生出高阶模式，无法实现单模，而且其光斑模式依然难以与单模光纤尺寸相匹配。
因此，如何研制出高饱和输出功率、大尺寸单模光斑、高光束质量，且制造工艺简单、性能稳定、成本低的半导体光放大器是本领域技术人员急需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，具有高饱和输出功率、大尺寸单模光斑、高光束质量，且制造工艺简单、性能稳定、成本低的特点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，包括有源层，以及分别生长于所述有源层上表面和下表面的上波导层和下波导层，所述有源层的折射率与所述上波导层或者所述下波导层的折射率的差值小于或者等于阈值，使得基模强光场从所述有源层扩散至所述上波导层以及所述下波导层。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述阈值的范围为0-3％。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述有源层包括：
无掺杂势阱与无掺杂势垒周期性交错生长构成的多量子阱；
生长于所述多量子阱上表面以及下表面的无掺杂边界层。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述无掺杂边界层的厚度范围为5nm-50nm。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
波导上包层，包括生长于所述上波导层上表面的P型掺杂上限制层，以及生长于所述上限制层上表面的P型掺杂上缓冲层，所述P型掺杂上缓冲层的折射率小于或者等于所述P型掺杂上限制层的折射率。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
波导下包层，包括生长于所述下波导层下表面的N型掺杂下限制层，以及生长于所述下限制层下表面的N型掺杂下缓冲层，所述N型掺杂下缓冲层的折射率小于或者等于所述N型掺杂下限制层的折射率。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
设置于所述波导上包层上表面以及P面金属上电极下表面之间的P型重掺杂的电极接触层。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
覆盖于由所述上波导层构成的平面区域的上表面，以及所述波导上包层以及所述电极接触层部分构成的脊形区域上表面的绝缘层，所述绝缘层的厚度范围为100nm-300nm。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
设置于所述波导下包层下表面的N型高掺杂衬底，以及设置于所述N型高掺杂衬底下表面的N面金属下电极。
优选的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，前后端面镀有反射率小于0.01％的增透膜。
本发明所提供一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，包括有源层，以及分别生长于所述有源层上表面和下表面的上波导层和下波导层，所述有源层的折射率与所述上波导层或者所述下波导层的折射率的差值小于或者等于阈值，使得基模强光场从所述有源层扩散至所述上波导层以及所述下波导层。由于有源区与波导区折射率之差对光场具有限制作用，并影响光场分布，因此，通过限制有源层的折射率与所述上波导层或者所述下波导层的折射率的差值在阈值内，使得有源层的光场限制因子的大小得到限制，形成弱波导，基模强光场由原来的有源层扩散至下波导层，形成大尺寸基模光斑，同时提高了饱和输出功率和光束质量，具有工艺简单、性能稳定、成本低的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的N-N′剖视图；
图3为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的M-M′剖视图；
图4为本发明实施例所提供的不同的有源层与波导层折射率差下的脊形波导单模条件；
图5(a)为本发明实施例所提供的有源层与波导层折射率差为9％的基模光场分布；
图5(b)为本发明实施例所提供的有源层与波导层折射率差为1％时的基模光场分布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，图1为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的结构示意图；图2为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的N-N′剖视图；图3为本发明实施例所提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的M-M′剖视图。
在一种具体实施例中，本发明提供一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，包括有源层4b，以及分别生长于所述有源层4b上表面和下表面的上波导层4c和下波导层4a，所述有源层4b的折射率与所述上波导层4c或者所述下波导层4a的折射率的差值小于或者等于阈值，使得基模强光场分布从所述有源层4b扩散至所述上波导层4c以及所述下波导层4a。
具体的，如图1所示，本实施例提供的一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器的结构为：由下至上依次为N面金属下电极1、衬底2、波导下包层3、波导芯层4、波导上包层5、电极接触层6、绝缘层7和P面金属上电极8；N面金属下电极1生长在减薄的衬底2背面，实现与衬底2的电连接，P面金属上电极8生长在P型电极接触层6和绝缘层7上面，并形成P面电流注入窗口9，实现与P型电极接触层6的电连接；波导芯层4位于波导上包层5与波导下包层3之间，包括下波导层4a、有源层4b和上波导层4c，依次生长在波导下包层3上；波导上包层5包括上限制层5a和上缓冲层5b，依次生长在有源层4b上；波导下包层3包括下缓冲层3a和下限制层3b，依次生长在衬底2上。
如图2和3所示，波导芯层4：下波导层4a的厚度为h2，其有效折射率为n2，有源层4b的厚度为h3，其有效折射率为n1eff，上波导层4c的厚度为h4，其有效折射率为n3；波导下包层3：波导下包层3的厚度为h1，下限制层3b的有效折射率为n41，下缓冲层3a的有效折射率为n42；波导上包层5：上限制层5a和上缓冲层5b厚度分别为h5和h6，有效折射率分别为n51和n52。上述结构均由一次外延生长完成，整个结构的腔长为L，采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术刻蚀台面，得到平面区和脊形区，外延片刻蚀深度为hetch，刻蚀波导条宽为Wrib，然后采用等离子体化学气相沉积(PECVD)技术沉积一层绝缘层7，采用磁控溅射系统制备P面金属电极，在P面金属电极与波导上包层5之间设置电极接触层6，厚度为h7，之后进行二次光刻、显影、刻蚀形成P面电流窗口，P面电流注入窗口9的宽度为Wwindow，经过衬底2减薄、抛光，衬底2的背面制备N面金属电极、合金，完成整个器件制备工艺。
脊形半导体光放大器分为平板区和脊形区，从光波导模式理论和耦合模理论分析，在各层材料一定的情况下，所支持的模式数量只与下波导层4a的厚度h2、有源层4b的厚度h3、上波导层4c的厚度h4、外延片的刻蚀深度hetch和波导宽度Wrib有关。采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术刻蚀台面，平板区类似一个模式滤波器，当高阶模式耦合到连续平板模式时，会从平板区两端辐射掉，达到滤除高阶模的作用，因此，通过控制脊形波导宽度Wrib和深度hetch，得到光放大器脊形波导单模条件，可在一定范围内调节有源区光场限制因子和基模模式光斑尺寸。本实施例通过控制所述有源层4b的折射率与所述上波导层4c或者所述下波导层4a的折射率的差值在阈值范围内，阈值较小，使得有源区光场限制因子较小，形成弱波导，使得基模强光场穿透深度增加，从所述有源层4b扩散至所述所述下波导层4a。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述下波导层4a的厚度h2大于上波导层4c的厚度h4，不仅有利于整个半导体光放大器倒装焊接的散热，还能防止强光场在上波导层4c的模式泄露。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述阈值的范围为0-3％。
其中，有源层4b的折射率与所述上波导层4c或者所述下波导层4a的折射率的差值范围在0-3％时，通过计算得到有源层4b光场限制因子会低于0.0327，当折射率差降低到1％以下时，有源层4b光场限制因子会低于0.0157。有源层4b与波导层的折射率差在0-3％内，使得基模强光场扩散至上波导层4c以及下波导层4a，其单模尺寸完全可以与单模光纤光场模式尺寸相比拟，实现高饱和输出功率、大尺寸单模光斑、高光束质量的半导体光放大器。当然，阈值范围包括但不限于上述范围，由于使用材料的不同，可能在上述范围上下浮动，均在保护范围内。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述有源层4b包括：
无掺杂势阱与无掺杂势垒周期性交错生长构成的多量子阱；
生长于所述多量子阱上表面以及下表面的无掺杂边界层。
其中，有源层4b作为放大器的增益区，在电注入时提供足够的光增益。本实施例中，有源层4b采用无掺杂势阱与无掺杂势垒周期性交错生长构成的多量子阱如InGaAsP/InP的多量子阱结构，当然，有源层4b包括但不限于上述材料构成，还可以为其它P型材料交错生长构成，均在保护范围内。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，所述无掺杂边界层的厚度范围为5nm-50nm。
其中，合理的边界层厚度不仅能得到基模理想的弱光场限制因子，实现大尺寸基模弱波导，还能避免出现波导中含波导。无掺杂边界层的厚度根据实际情况而定。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
波导上包层5，包括生长于所述上波导层4c上表面的P型掺杂上限制层5a，以及生长于所述上限制层5a上表面的P型掺杂上缓冲层5b，所述P型掺杂上缓冲层5b的折射率大于或者等于所述P型掺杂上限制层5a的折射率。
其中，本实施例中，上波导层4c采用InxGaAsPy材料，上限制层5a可以由单一的P型掺杂材料构成，也可以为两种材料交替生长的稀释波导构成，上缓冲层5b可以采用P型高掺杂材料。P型掺杂上缓冲层5b的折射率大于或者等于P型掺杂上限制层5a的折射率即可实现对光场横向模式的限制。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
波导下包层3，包括生长于所述下波导层4a下表面的N型掺杂下限制层3b，以及生长于所述下限制层3b下表面的N型掺杂下缓冲层3a，所述N型掺杂下缓冲层3a的折射率小于或者等于所述N型掺杂下限制层3b的折射率。
其中，下波导层4a可以为单一的N型掺杂材料，也可以为两种材料交替生长的稀释波导，稀释光波导通常由多层周期排列的非掺杂InP/InGaAsP组合层堆叠而成。本实施方式中，下波导层4a采用与上波导层4c相同的材料InxGaAsPy材料。
所述的下限制层3b是生长在下缓冲层3a上的N型掺杂材料，通常采用与下缓冲层3a相同的材料，掺杂浓度渐变，可有效限制光场横向模式扩散。下缓冲层3a是生长在衬底2上的N型高掺杂材料，通常采用与衬底2相同的材料，可修饰衬底2的缺陷，利于后续材料生长。所述N型掺杂下缓冲层3a的折射率小于或者等于所述N型掺杂下限制层3b的折射率即可实现对光场横向模式的限制。
综上所述，折射率满足n1eff≥n2≈n3>n41≈n51≥n42≈n52，可实现基模强光场分布扩散至下波导层4a，并对光场横向模式的限制，同时实现高饱和输出功率、大尺寸单模光斑、高光束质量的半导体光放大器。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
设置于所述波导上包层5上表面以及P面金属上电极8下表面之间的P型重掺杂的电极接触层6。
其中，电极接触层6生长在上缓冲层5b上，采用P型重掺杂，利于欧姆接触。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
覆盖于由所述上波导层4c构成的平面区域的上表面，以及所述波导上包层5以及所述电极接触层6部分构成的脊形区域上表面的绝缘层7，所述绝缘层7的厚度范围为100nm-300nm。实际工艺常用200nm和300nm两种厚度，避免漏电。
其中，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)技术沉积一层二氧化硅绝缘层7，它即可作为刻蚀部分的绝缘层7，也可作为脊形波导的低折射率包层限制光模式泄露。由于足够厚的绝缘层7起到限制光场模式的作用，阻止光场向金属层泄露，阻止脊形波导两侧的电流注入。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，还包括：
设置于所述波导下包层3下表面的N型高掺杂衬底2，以及设置于所述N型高掺杂衬底2下表面的N面金属下电极1。
其中，衬底2可以为N型高掺杂的GaAs、InP等材料，由晶格匹配原则可知，衬底2的选择决定了外延芯片的激射波长，本实施例主要采用N型高掺杂InP衬底2。金属电极由多层金属构成，其中P面金属上电极8一般采用Ti-Pt-Au，N面金属下电极1一般采用Au-Ge-Ni。
进一步的，在上述基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器中，前后端面镀有反射率小于0.01％的增透膜10。
其中，前后端面指的是，在整个半导体放大器的两端，即纵截面，镀有反射率小于0.01％的增透膜10能够最大限度降低输入输出的模式反射。
图4为本发明实施例所提供的不同的有源层4b与波导层折射率差下的脊形波导单模条件。
粗实线SM1_0％代表有源区与波导区折射率差为0时的单模边界线，其下方区域表示当刻蚀深度hetch与脊形波导宽度Wrib的尺寸在此区域时，脊形波导为单模波导。同理，细实线SM2_1％、短折线SM3_2％、折点线SM4_3％、点线SM5_9％及其下方包含的区域分别代表有源区与波导区折射率差为1％、2％、3％和9％时的单模边界线和单模区域。可以看出，随着有源层4b与波导层折射率差的增大，刻蚀深度hetch与脊形波导宽度Wrib能满足单模条件的区域逐渐变小。为了满足与单模光纤模式匹配，当Wrib＝6μm时，SM1_0％、SM2_1％、SM3_2％满足单模条件，且允许的刻蚀深度hetch逐渐减小，综合考虑工艺误差等因素选择SM2_1％，刻蚀深度hetch＝2.05μm。
图5(a)为本发明实施例所提供的有源层4b与波导层折射率差为9％的基模光场分布；图5(b)为本发明实施例所提供的有源层4b与波导层折射率差为1％时的基模光场分布。它们的下波导层4a远比上波导层4c厚，基模中心光场分布从有源层4b转移到下波导层4a。
从图5(a)可以看出，当折射率差为9％时，波导层与有源层4b已经形成以有源层4b为芯层、上波导层4c和下波导层4a为上下包层的波导，由于有源层4b光场限制因子很高，达到0.1243，这种强波导难以形成大尺寸的单模光场分布，箭头所示的光场强度等高线区域包含86.5％光场强度。从图5(b)可以看出，当折射率差为1％时，上波导层4c和下波导层4a与有源层4b形成微弱的波导，光场重新分布，形成以上波导层4c、下波导层4a、有源层4b为芯层，波导上包层5、波导下包层3为上、下包层的脊形波导，此时有源层4b光场限制因子只有0.0157，由于下波导层4a远比上波导层4c厚，基模中心光场分布从有源层4b转移到下波导层4a，箭头所示的光场强度等高线区域同样包含86.5％光场强度，可以看出，其模斑尺寸远远大于折射率差为9％时的模班尺寸，完全可以与单模光纤光场模式尺寸相比拟。
本发明提供的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，容易应对无热传导时的热功耗，有望实现大单模尺寸下高饱和输出功率、高亮度、低损耗的光放大输出，而且大的模式尺寸降低了腔面功率密度，可以实现与单模光纤高效率对接耦合。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，包括有源层，以及分别生长于所述有源层上表面和下表面的上波导层和下波导层，所述有源层的折射率与所述上波导层或者所述下波导层的折射率的差值小于或者等于阈值，使得基模强光场分布从所述有源层扩散至所述上波导层以及所述下波导层，其中，所述阈值的范围为0-3％，所述有源层包括：无掺杂势阱与无掺杂势垒周期性交错生长构成的多量子阱；生长于所述多量子阱上表面以及下表面的无掺杂边界层。
2.如权利要求1所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，所述无掺杂边界层的厚度范围为5nm-50nm。
3.如权利要求2所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，还包括：
波导上包层，包括生长于所述上波导层上表面的P型掺杂上限制层，以及生长于所述上限制层上表面的P型掺杂上缓冲层，所述P型掺杂上缓冲层的折射率小于或者等于所述P型掺杂上限制层的折射率。
4.如权利要求3所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，还包括：
波导下包层，包括生长于所述下波导层下表面的N型掺杂下限制层，以及生长于所述下限制层下表面的N型掺杂下缓冲层，所述N型掺杂下缓冲层的折射率小于或者等于所述N型掺杂下限制层的折射率。
5.如权利要求4所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，还包括：
设置于所述波导上包层上表面以及P面金属上电极下表面之间的P型重掺杂的电极接触层。
6.如权利要求5所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，还包括：
覆盖于由所述上波导层构成的平面区域的上表面，以及所述波导上包层以及所述电极接触层部分构成的脊形区域上表面的绝缘层，所述绝缘层的厚度范围为100nm-300nm。
7.如权利要求6所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，还包括：
设置于所述波导下包层下表面的N型高掺杂衬底，以及设置于所述N型高掺杂衬底下表面的N面金属下电极。
8.如权利要求7所述的基于脊形有源区弱波导的半导体光放大器，其特征在于，前后端面镀有反射率小于0.01％的增透膜。
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