CN100362419C - 一种半导体光放大器 - Google Patents

Abstract

一种半导体光放大器，属于半导体光电器件，解决结构复杂、工艺不易于实现、不便应用的技术问题，兼具高饱和输出功率和低噪声指数。其芯片内部依次包括衬底、缓冲层、下包层、有源区、上包层、欧姆接触层，芯片的顶层和底层分别为上、下金属电极层和上、下电极；放大器的输入端面和输出端面上镀制有抗反膜，输出端面抗反膜的反射率低于输入端面抗反膜的反射率；上金属电极层上刻蚀有N个电绝缘槽，将放大器沿腔长方向分成N+1个小节，每个小节都有一个上电极，N≥2。本发明可以同时改善SOA的噪声指数和饱和输出功率，具有结构简单，易于实现的优点。

Description

一种半导体光放大器

技术领域

本发明属于半导体光电器件，具体涉及一种高饱和输出功率、低噪声指数的半导体光放大器。

背景技术

半导体光放大器(SOA：Semiconductor Optical Amplifier)由于体积小、成本低、易与其他光电器件集成，在全光通信系统中将发挥重要的作用，尤其是在城域网和接入网中，由于传输距离和传输速率较小，信道数目也不多，因而从性价比的角度来说，采用半导体光放大器比光纤放大器更合算；图1为现有SOA的一种具有代表性的结构示意图，见“1.55μm AlGaInAs-InP偏振无关半导体光放大器及其温度特性研究”马宏、陈四海、金锦炎、易新建、朱光喜，物理学报，53卷第6期，2004年6月，P1868～1872。它是量子阱作有源区的典型结构，其芯片内部由衬底1、缓冲层和下包层2、下分别限制层3、有源区4、上分别限制层5、上包层6、欧姆接触层7依次构成。在图1中，缓冲层和上包层合二为一，而在有的放大器中，缓冲层与上包层可以是由不同的材料构成。如果有源区不是采用量子阱结构，而是采用体材料作有源区，则没有下分别限制层3和上分别限制层5。在放大器的顶层和底层分别有上金属电极层8和下金属电极层9；下电极10做在下金属电极层9下面，上电极11做在上金属电极层8上面。在放大器的输入端面和输出端面上镀制有抗反膜12和抗反膜13。电流由SOA的上、下电极11和10注入到SOA内部。当SOA具有适当的注入电流时，输入信号光14进入SOA内部，它在沿着SOA腔长方向传播的同时，可以不断地被SOA放大，最后在输出端面得到放大了的输出信号光15。在这种SOA中，其输入端面所镀制的抗反膜12和输出端面抗反膜13是完全一样的，因而两端面具有相同的反射率(其值一般在10^-2～10^-6之间)；SOA只有一个上电极11和下电极10为SOA注入电流，电流为均匀注入方式。图1中的SOA典型结构一般是由III-V族化合物半导体材料构成，其衬底可以是砷化镓、或者磷化铟、或者碳化硅等等。根据衬底不同与工作波长不同，半导体光放大器的其他层的材料和结构也将不同，比如其有源区的材料不同，可以是砷化镓、铝镓砷、铟镓砷、铟镓砷磷、铟铝镓砷、铟镓氮、铟镓铝氮等等。有源区的结构不同，可以是量子阱结构、超晶格结构或者体材料结构。不同的SOA可以具有不同的腔长和宽度、有源区具有不同的厚度、宽度和长度。为了更好地限制电流、注入载流子和光子，SOA可以具有不同的波导限制结构，比如脊型波导结构、双沟掩埋结构以及其他条形结构。输入端面和输出端面的抗反膜可以是单层材料构成的单层抗反膜、也可以是由两种材料构成的双层抗反膜、或者多种材料构成的多层抗反膜。抗反膜的材料种类有很多，比如SiO_x、MgF₂、ZnSe、Al₂O₃、ZrO₂、Ti₃O₅等等。但是，一般的半导体光放大器存在噪声指数较高，饱和输出功率较低的问题。较高的噪声指数加剧了输出光信号的信噪比恶化程度，不利于光信号的接收和检测。另外，当SOA作为线性放大器时，希望它不易发生增益饱和，具有较大的饱和输出功率。

图2是图1中SOA内的载流子浓度沿着腔长的分布情况。横轴16代表了SOA沿着腔长方向从输入端到输出端的轴向位置，纵轴17代表了载流子浓度。曲线18是载流子浓度沿着腔长的分布曲线。由于信号光在SOA传播过程中不断放大，所消耗的载流子数目也逐渐增加，因此越靠近输出端，载流子浓度越小。由上可知，在SOA内部，载流子沿腔长方向不是均匀分布的。当输入光功率越大时，载流子的这种不均匀分布越显著。当信号光功率增大到载流子浓度不足以维持信号光的放大时，SOA就会发生增益饱和。由此可知，SOA的增益饱和行为主要是由其后端的局域增益饱和决定的。在图2中，对应SOA的腔长为500微米，输入端面抗反膜和输出端面抗反膜的反射率相同，都为1×10^-4；输入光信号功率为3微瓦，注入电流为240毫安。它反映了一般SOA的载流子分布的典型特征。

除了信号光在SOA中要消耗载流子之外，SOA内部存在的自发发射光也会消耗载流子得到光放大，这种放大的自发发射光被称为放大的自发发射(ASE光)。放大的自发发射光(ASE光)不仅降低了SOA对信号光的增益能力，而且恶化了SOA的噪声指数。特别是在有信号光注入时，由于背向ASE光比正向ASE光要强一些，接近SOA输入端面处的载流子浓度降低，粒子数反转程度下降，噪声指数增加。由于接近SOA输入端面处的噪声指数对整个器件的噪声指数影响最大，所以，靠近输入端处具有较低的载流子浓度这种情况对SOA的噪声性能是不利的。

为了降低噪声指数，可以在SOA芯片两端集成模斑转换器以提高SOA与光纤的耦合效率，因为耦合损失是造成SOA具有较大噪声指数的关键因素。另外，降低光波导损耗、降低剩余反射率、采用优化设计的应变量子阱有源区等手段也可以减小SOA的噪声指数。

为了提高SOA的饱和输出功率，可以制作增益钳制SOA、或者给SOA注入辅助光束、或者将SOA的有源区厚度取得很薄。但是这些方法要么是器件结构过于复杂，工艺制作要求高，要么是必须引入信号光之外的光束，给SOA的制作和应用带来不便，而且这些方法也没有兼顾到SOA对低噪声指数的要求。

发明内容

本发明提供一种半导体光放大器，解决结构复杂、工艺不易于实现、不便应用的技术问题，兼具高饱和输出功率和低噪声指数。

本发明一种半导体光放大器，其芯片内部依次包括衬底、缓冲层、下包层、有源区、上包层、欧姆接触层，芯片的顶层和底层分别为上、下金属电极层和上、下电极；放大器的输入端面和输出端面上镀制有抗反膜，其特征在于：

(1)沿着腔长方向，在所述上金属电极层上刻蚀有N个电绝缘槽，将放大器沿腔长方向分成N+1个小节，每个小节都有一个上电极，共有N+1个上电极，N≥2；

(2)放大器的输出端面抗反膜的反射率低于输入端面抗反膜的反射率。

所述的半导体光放大器，所述芯片内部有源区可以采用量子阱结构，在紧邻有源区的上、下两层分别具有上分别限制层和下分别限制层。

为实现高饱和输出功率和低噪声指数，上述的多个电极彼此之间给SOA注入的电流不完全相同，因而SOA各个小节之间的电流密度不完全相同，靠近输入端的小节和靠近输出端的小节具有较高的注入的电流密度，其他小节具有较低的电流密度。

本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

1.输出端面的反射率比输入端面的反射率稍小一些，有助于压抑SOA中背向放大的自发辐射(ASE：Amplified Spontaneous Emission)，同时加强正向传播的信号光功率，这样就有利于减小SOA的噪声指数，增大SOA的输出功率。

2.采用多电极手段实现电流的非均匀注入，靠近输入端的小节具有较高的注入电流密度，可以维持此处具有较高的载流子浓度，粒子数反转程度较高，有助于减小前端的噪声指数，从而减小整个器件的噪声指数。输出端小节具有较高的注入电流密度，使得SOA不容易发生增益饱和，可以增大SOA的饱和输出功率。

3.该发明可以同时改善SOA的噪声指数和饱和输出功率，具有结构简单，易于实现的优点。

附图说明

图1为一种具有代表性的现有SOA的结构示意图；

图2为图1中现有SOA的载流子浓度沿着腔长的分布情况；

图3为本发明的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

图3是本发明的一个实施例结构示意图。所示的SOA是量子阱作有源区的典型结构，其内部由衬底1、缓冲层和下包层2、下分别限制层3、有源区4、上分别限制层5、上包层6、欧姆接触层7依次构成。在放大器的输入端面和输出端面上镀制有抗反膜12和抗反膜13。放大器的顶层和底层分别为上金属电极层8和下金属电极层9；下电极10做在下金属电极层9之下。输入信号光14进入SOA内部，它在沿着SOA腔长方向传播的同时，可以不断地被SOA放大，最后得到放大了的输出信号光15。

在图3所示的实施例中，SOA两个端面的抗反膜的反射率是不相同的，输入端面抗反膜12的反射率要比输出端面抗反膜13的反射率要稍高一些。SOA具有三个上电极，分别是上电极111、112和113，各个电极之间由绝缘槽19和20进行电绝缘隔离。这样，三个上电极将SOA分为三个小节，当各电极注入的电流密度不相同时，就可以实现电流的非均匀注入。绝缘槽19和20可以通过刻蚀相应的上金属电极层部分而得到，绝缘槽的长度与SOA的腔长相比很小，要低1到2个数量级左右。比如SOA腔长为1000微米时，绝缘槽的长度可以在30微米之内。

在本例中，SOA有3个电极，SOA被分为3个小节。也可以根据实际需要和性价比设计制作具有更多电极、更多小节的SOA。

本发明的优点可以结合图3来进一步说明：

首先，输出端面的反射率比输入端面的反射率稍小一些，有助于压抑SOA中背向放大的自发辐射光，这样就有利于减小SOA的噪声指数。因为背向ASE光沿着输出端到输入端不断被放大，越靠近输入端面背向ASE光越强，所消耗的载流子数目越多，造成靠近输入端面的噪声指数增大，对整个器件的噪声性能影响最大。在本发明中，将输出端面的反射率做得比输入端面的反射率稍小一些，有助于压抑背向ASE光，提高靠近输入端面处的载流子浓度和粒子数反转程度，降低此处的噪声指数，从而改善整个SOA的噪声性能。具体实施时，输入端面反射率与输出端面反射率取值都在10^-2～10^-6之间。前者比后者稍高，二者之比保持在一个数量级之内，比如当输入端面反射率取值为2×10^-4时，输出端面反射率取值可以取5×10^-5。

其次，采用多电极实现电流的非均匀注入可以同时获得低噪声指数和高饱和输出功率。为了达到上述目的，在应用中可以采取下列电流分配方式：对靠近输入端的小节和靠近输出端的小节注入较高的电流密度，对中间小节则注入较低的电流密度。这样，由于靠近输入端的小节具有较高的电流密度，载流子浓度提高，有助于降低此处的噪声指数，降低整个器件的噪声指数，因为输入端的噪声指数对整个器件噪声指数的影响最大。同时，由于靠近输出端的小节也具有较高的电流密度，此处载流子浓度得到提高，有助于提高SOA的饱和输出功率。因为SOA的增益饱和行为主要是由其后端的局域增益饱和决定的，而靠近后端的较大注入电流密度可以维持此处具有较高的载流子浓度，使得SOA不容易发生增益饱和。具体实施时，前节(靠近输入端的小节)、中间节、后节(靠近输入端的小节)的注入电流密度之比可以根据应用需要灵活调节。比如当各节长度相同时，三节注入电流之比可以为2∶1∶2、或者1.5∶1∶2，或者其他数值，但是其原则是前节与后节的电流密度要比中间节的电流密度大。可以根据具体情况，灵活方便地进行电流密度之比的优化调节，获得最优的SOA性能参数，具有大饱和输出功率和低噪声指数的优点。

其三，本发明通过不对称的抗反膜制作和多电极手段，可以同时改善SOA的噪声指数和饱和输出功率，而且这种方法具有结构简单，易于实现的优点。因为它不需要改变SOA芯片的结构设计，在SOA制作中也不需改变外延生长工艺，而且多电极的制作容易实现。

其四、对于本发明的SOA，其电流注入比可以很方便地根据不同需要而灵活地加以改变，来实现不同的应用目的。比如对于SOA用作全光波长转换的应用场合，希望SOA很容易达到增益饱和，这时，只要降低靠近输出端小节的注入电流密度，就可以实现这个要求。同样，在电极制作工艺中可以很方便地根据不同需要，灵活地调节各节之间的长度比，来实现不同的应用目的。

Claims (2)

1.一种半导体光放大器，其芯片内部依次包括衬底、缓冲层、下包层、有源区、上包层、欧姆接触层，芯片的顶层和底层分别为上、下金属电极层和上、下电极；放大器的输入端面和输出端面上镀制有抗反膜，其特征在于：

(1)沿着腔长方向，在所述上金属电极层上刻蚀有N个电绝缘槽，将放大器沿腔长方向分成N+1个小节，每个小节都有一个上电极，共有N+1个上电极，N≥2；

(2)放大器的输出端面抗反膜的反射率低于输入端面抗反膜的反射率。

2.如权利要求1所述的半导体光放大器，其特征在于所述芯片内部有源区采用量子阱结构，在紧邻有源区的上、下两层分别具有上分别限制层和下分别限制层。