CN100429848C - 波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，采用磷化铟/铟镓砷磷材料体系，包括依次连接的光放大器、Y型耦合器和2*2分布反馈激光器阵列；其中2*2分布反馈激光器阵列在上波导层上制作有2*2矩阵排列的四个不同周期的布拉格光栅。本发明的优点是可提供四个可选的波长，波长间隔为20nm，满足疏波分复用的信道间隔要求，本发明的制作工艺和传统光电集成组件的制作工艺一样简单方便，易于操作，且易与其他的半导体光电器件如调制器，模斑转换器等集成。

Description

波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件

技术领域

本发明涉及半导体光电集成技术领域，特别涉及一种波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件。

背景技术

当前的光纤通信系统采用波分复用技术，疏波分复用技术(CWDM)是城域网、光纤到户的重要复用技术。简单易行、成本低是用于疏波分复用通信网络的光电器件的基本要求。ITU-T制定的标准中，疏波分复用通信网络的信道复用间隔宽达20nm，要求光源具有间隔20nm的波长选择性，而且成本低，性能稳定。半导体光电集成组件因其光电转换效率高，体积小，成本低，与光纤耦合损耗小，广泛应用于光纤通信系统中。分布反馈激光器(DFB)激射光谱的线宽窄，动态单模特性好，多用作集成组件的有源器件。传统的DFB激光器制作有均匀或相移的布拉格光栅，工作在稳定的单模状态，不具有波长选择性，不能单独用作疏波分复用系统的光源。Lasermate group公司的网站www.lasermate.com和Thor1abs公司的网站www.thor1abs.com以及其他的公司提供了用作疏波分复用通信系统光源的分布反馈激光器组件。这种组件由分立的分布反馈激光器组成。对应疏波分复用的信道标准，单元激光器的激射波长不同，各间隔20nm。这种激光器组件的制作工艺复杂，成本相对较高，且组件的体积较大。文献1(Proceedings of OFC2002，ThGG71，711)中提出了一种单片集成的12个DFB激光器阵列，该阵列包含有12个并列的分布反馈布拉格激光器。12个不同周期的光栅采用昂贵的电子束扫描曝光制作，其工艺复杂成本高。该器件的封装结构采用混合集成，使用外耦合器和光隔离器，与单片集成的组件相比，成本高体积大。文献2(IEEE P.T.L.，11，1999，51)中提出了另外一种单片集成的6个DFB激光器阵列，同样采用电子束曝光系统制作光栅，成本高。且这两种器件的输出波长间隔仅有几个纳米，不符合疏波分复用的信道间隔标准(20nm)，不适合用于疏波分复用光通信系统。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，针对疏波分复用光通信系统对光源的要求，提供一种信道间隔宽(ITU-T标准为20nm)，性能稳定，制作工艺简单，成本低，性价比高的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件。

为实现上述发明目的，本发明提供的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，采用磷化铟/铟镓砷磷材料体系，其特征在于，包括依次连接的光放大器、Y型耦合器和2*2分布反馈激光器阵列；

所述2*2分布反馈激光器阵列由下而上包括磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.55um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6和金属电极8，其中，在上波导层上制作有2*2矩阵排列的四个不同周期的布拉格光栅；

所述Y型耦合器由下而上包括磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.3um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6，该Y型耦合器输出端的两个分支与2*2分布反馈激光器阵列连接，输入端与光放大器连接；

所述光放大器由下而上包括：磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.5um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6，金属电极8。

上述技术方案中，所述2*2分布反馈激光器阵列，其磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成两个平行的条形脊波导；其中，一个脊波导上制作两个金属电极8，分别对应于两个布拉格光栅，另一个脊波导上也制作两个金属电极8，分别对应于另外两个布拉格光栅，每个脊波导的两个金属电极之间均用氧化硅介质膜7进行电隔离。

上述技术方案中，所述Y型耦合器，其磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成“Y”形的脊波导。

上述技术方案中，所述光放大器，其磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成条形脊波导，与Y型耦合器的输入端连接；其金属电极8制作在该条形脊波导上，金属电极与Y型耦合器之间用氧化硅介质膜7进行电隔离。

上述技术方案中，所述脊波导的宽度为2um。

上述技术方案中，所述光放大器的条形脊波导长度在350-500um之间。

上述技术方案中，所述Y型耦合器的“Y”形的脊波导长度在250-400um之间。

上述技术方案中，所述2*2分布反馈激光器阵列的两个条形脊波导长度均在550-650um之间；所述2*2分布反馈激光器阵列的两个条形脊波导长度的间隔在100-150um之间。

本发明提供了一种具有波长选择性的2*2分布反馈激光器阵列与光放大器的集成组件。该组件在波导结构的上波导层制作具有不同周期的2*2矩阵布拉格光栅，通过Y型耦合器和半导体光放大器集成。给不同光栅对应的电极分别注入电流在阈值电流以上时，可提供四个可选的波长，波长间隔为20nm，满足疏波分复用的信道间隔要求。该组件的制作工艺和传统光电集成组件的制作工艺一样简单方便，易于操作，且易与其他的半导体光电器件如调制器，模斑转换器等集成。

附图说明

图1为本发明的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件的结构图；

图2是本发明的集成组件的横向界面图；

图3是本发明的集成组件的顶层图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的材料体系为磷化铟/铟镓砷磷体系。

本发明提供的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件包括依次连接的光放大器、Y型耦合器、2*2分布反馈激光器阵列。图1中A部分是2*2分布反馈激光器阵列，B部分是Y型耦合器，C部分是光放大器。下面分别描述组成本发明组件的三个部分。

A部分2*2分布反馈激光器阵列由下而上包括：磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.55um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6和金属电极8。其中，在上波导层上制作有2*2矩阵排列的四个不同周期的布拉格光栅。磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成两个平行的条形脊波导。其中，一个脊波导上制作两个金属电极8，分别对应于两个布拉格光栅，另一个脊波导上也制作两个金属电极8，分别对应于另外两个布拉格光栅。每个脊波导的两个金属电极之间均用氧化硅介质膜7进行电隔离。其中条形脊波导宽度2um，两个条形脊波导长度均在550-650um之间，它们之间的间隔在100-150um之间。

B部分Y型耦合器由下而上包括：磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.3um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6。其中，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成“Y”形的脊波导，称为Y型耦合波导。该Y型耦合波导输出端的两个分支分别与2*2分布反馈激光器阵列的两个条形脊波导连接，输入端与光放大器连接。“Y”形的脊波导宽度为2um，长度在250-400um之间。

C部分光放大器由下而上包括：磷化铟衬底缓冲层1，下波导层铟镓砷磷2，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3，对应带隙波长1.5um，上波导层铟镓砷磷4，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6，金属电极8。其中，磷化铟盖层5，铟镓砷接触层6制作成条形脊波导，与Y型耦合器的输入端连接。金属电极8制作在该条形脊波导上，金属电极与Y型耦合器之间用氧化硅介质膜7进行电隔离。其中，条形脊波导长度在350-500um之间。

本实施例中，整个组件长度为1480um。其中有源部分包括分布反馈激光器，半导体光放大器，无源部分是Y型耦合器。分布反馈激光器和光放大器为脊波导条形结构，脊宽2um，分布反馈激光器阵列中每段光栅长300um，光放大器长500um。Y型耦合器长350um，两分支间隔为125um，波导宽度2um。2*2分布反馈激光器阵列的每个条形脊波导的两个激光器之间均有50um隔离槽，Y型耦合器与光放大器之间也制有50um的隔离槽。隔离槽的制作有两个步骤：首先腐蚀铟镓砷接触层6，然后在槽内热氧化生长二氧化硅介质膜7，完成各部分之间的电隔离。

整个组件的波导结构由两次材料外延生长完成。磷化铟衬底缓冲层1、下波导层铟镓砷磷2、铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层3、上波导层铟镓砷磷4由第一次外延生长(金属有机化学气相淀积)完成。采用改进的全息曝光法(该方法在本申请人的另一专利申请“同一半导体芯片不同周期全息光栅的制作方法”中做了详细描述，该专利申请的申请号为200410088728.0，申请日期为04年11月1日)在上波导层上制作2*2矩阵排列的四个不同周期的布拉格光栅后，二次外延生长磷化铟盖层5和铟镓砷接触层6。接着采用光刻和刻蚀制作脊波导和Y型耦合波导，热氧化生长氧化硅介质膜7后，开出电极窗口。真空溅射电极层8，光刻完成电极图形的制作。在经过衬底减薄，背面电极等工艺过程后，整个器件制作完成。

2*2阵列中不同周期的布拉格光栅，采用改进的全息曝光法制作在上波导层铟镓砷磷4上，如附图2、图3所示。其中P1为第一个光栅的周期235.2nm，对应布拉格波长1.51um，P2为第二个光栅的周期238.3nm，对应布拉格波长1.53um，P3为第三个光栅的周期241.4nm，对应布拉格波长1.55um，P4为第四个光栅的周期244.5nm，对应布拉格波长1.57um。四个不同周期的光栅的排列方式采用附图3所示的方式，其中两个分支波导中，较长波长对应的光栅均放于阵列的后段，较短波长对应的光栅放于阵列的前段，直接与Y型波导相接。各分支波导前后光栅对应的波长间隔均为40nm。两支平行波导互相平行对应位置的光栅对应的波长间隔为20nm。采取这种排列方式可以减小四个布拉格光栅之间的串扰，保证四个激射波长的单模特性。

电极层8制作为不同的图形，两个方形电极和两个椭圆形电极，以区别四个不同的激光器(也可以采用其他的图形以示区别)。方形电极长150um，宽100um，分别对应光栅周期P1：235.2nm和P4：244.5nm。椭圆形电极，长轴长150um，分别对应光栅周期P2：238.3nm和P3：241.4nm。采用氦离子注入完成各部分的电隔离，如附图2，附图3所示。不同的电极分别注入阈值电流以上电流，同时给放大器加电流，组件给出四个不同的激射波长1.51um，1.53um，1.55nm，1.57nm。

该组件的制作工艺沿承传统分布反馈激光器的制作工艺，使用设备简单，操作方便，制作成本低。同时，制作工艺和半导体工艺兼容，可以方便的与半导体调制器，模斑转换器等集成，适用于光纤通信网络中。

Claims (8)

1、一种波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，采用磷化铟/铟镓砷磷材料体系制作，包括分布反馈激光器阵列，其特征在于，还包括依次连接的光放大器、Y型耦合器；所述分布反馈激光器阵列是2*2分布反馈激光器阵列，其输入端与Y型耦合器的输出端连接；

所述2*2分布反馈激光器阵列由下而上包括磷化铟衬底缓冲层(1)，下波导层铟镓砷磷(2)，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层(3)，对应带隙波长1.55um，上波导层铟镓砷磷(4)，磷化铟盖层(5)，铟镓砷接触层(6)和第一金属电极(8)，其中，在上波导层上制作有2*2矩阵排列的四个不同周期的布拉格光栅；

所述Y型耦合器由下而上包括所述磷化铟衬底缓冲层(1)，所述下波导层铟镓砷磷(2)，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层(3)，对应带隙波长1.3um，所述上波导层铟镓砷磷(4)，所述磷化铟盖层(5)和所述铟镓砷接触层(6)，该Y型耦合器输出端的两个分支与所述2*2分布反馈激光器阵列连接，输入端与光放大器连接；

所述光放大器由下而上包括：所述磷化铟衬底缓冲层(1)，所述下波导层铟镓砷磷(2)，铟镓砷/铟镓砷磷多量子阱层(3)，对应带隙波长1.5um，所述上波导层铟镓砷磷(4)，所述磷化铟盖层(5)，所述铟镓砷接触层(6)和第二金属电极(8)。

2、按权利要求1所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述2*2分布反馈激光器阵列的磷化铟盖层(5)，铟镓砷接触层(6)制作成两个平行的条形脊波导；其中，一个脊波导上制作两个所述第一金属电极(8)，分别对应于两个所述布拉格光栅，另一个脊波导上也制作两个所述第一金属电极(8)，分别对应于另外两个所述布拉格光栅，每个脊波导的两个所述第一金属电极之间均用氧化硅介质膜(7)进行电隔离。

3、按权利要求1所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述Y型耦合器的磷化铟盖层(5)，铟镓砷接触层(6)制作成“Y”形的脊波导。

4、按权利要求1所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述光放大器的磷化铟盖层(5)，铟镓砷接触层(6)制作成条形脊波导，与所述Y型耦合器的输入端连接；所述光放大器的所述第二金属电极(8)制作在该条形脊波导上，所述第二金属电极与所述Y型耦合器之间用氧化硅介质膜(7)进行电隔离。

5、按权利要求2或4所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述脊波导的宽度为2um。

6、按权利要求4所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述光放大器的条形脊波导长度在350-500um之间。

7、按权利要求3所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述Y型耦合器的“Y”形的脊波导长度在250-400um之间。

8、按权利要求2所述的波长可选分布反馈激光器二维阵列集成组件，其特征在于，所述2*2分布反馈激光器阵列的两个条形脊波导长度均在550-650um之间；所述2*2分布反馈激光器阵列的两个条形脊波导的间隔在100-150um之间。

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