CN102082392A - 可调谐激光器与光放大器的单片集成器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐激光器与光放大器的单片集成器件及其制作方法。该单片集成器件包括五段，依次为光放大器区(19)、与光放大器区相邻的前取样光栅区(20)、与前取样光栅区相邻的增益区(21)、与增益区相邻的相区(22)，以及与相区相邻的后取样光栅区(23)。本发明将取样光栅光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器进行单片集成，有效的减小了器件尺寸，减小了功耗，提高了激光器功率并平衡各波长出光功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电集成技术领域，特别涉及一种可调谐激光器与光放大器的单片集成器件及其制作方法。
背景技术
光网络正在向高速大容量、良好的扩展性和智能化的方向发展。提升光网络的容量时，将更加注重光网络的灵活性和可扩展性，交换智能化和光电子器件集成化是降低运营成本，以应对快速变化的市场环境。发展可调谐器件、多功能集成的光开关器件或组件将是构建智能光网络的基石。
密集波分复用(DWDM)系统的飞速发展带来了对相关器件的强烈需求。目前的DWDM系统普遍已经达到32路波长复用，Infinera利用铟磷基的单片集成技术实现了的1.6Tb/s(40G×40路波长复用)光子集成回路(PIC)芯片。如果使用普通波长固定的激光器就需要生产出如此多波长，生产工艺的控制要极其严格和烦琐，产品一致性要求非常之高。为保证系统安全性要求做保护备份时，也需要同样多品种的同样数量的器件，系统设备的成本及复杂度将很高。而波长可调激光器能够大大减轻DWDM系统在光源配置、备份和维护上的巨大压力。
可调谐激光器在实现波长灵活切换，避免阻塞，降低网络保护恢复成本，提高可靠性等方面也起着无可代替的作用。基于磷化铟(InP)材料的宽带可调谐激光器具有纳秒级的调谐速度，可以满足包交换的需求；还可以集成更多的电子或光电子器件，形成系统集成芯片(SOC)以完成更复杂(如快速波长变换，波长信道的上传以及下传等)的功能，以满足智能光网络的需求。可调谐激光器还可以用于基于WDM技术的光互连中，代替电缆完成计算机之间或芯片之间的互连。
传统的取样光栅光栅分布布拉格反射激光器在波长调谐的过程中由于注入电流引起波导吸收系数的变化，其各个出光波长之间的光功率的变化可以达到6dB。本发明将取样光栅光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器进行单片集成可以有效的减小器件尺寸，减小功耗，提高激光器功率并平衡各波长出光功率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可调谐激光器与光放大器的单片集成器件及其制作方法，以减小器件尺寸，减小功耗，并提高激光器功率并平衡各波长出光功率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种可调谐激光器与光放大器的单片集成器件，该单片集成器件包括五段，依次为光放大器区19、与光放大器区相邻的前取样光栅区20、与前取样光栅区相邻的增益区21、与增益区相邻的相区22，以及与相区相邻的后取样光栅区23。
上述方案中，所述光放大器区19内具有脊形条，该脊形条为弧形脊形条25；所述光放大器区19外具有脊形条，该脊形条为直条脊形条24。
上述方案中，所述弧形脊形条25的一端与前取样光栅区20的直条脊形条24相连接，另一端与前取样光栅区20的直条脊条24形成5～7度角，从而减小端面反射。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，该方法包括：
在n型InP衬底上依次外延生长外延层结构；
在该外延层结构上淀积二氧化硅掩膜层；
利用该二氧化硅掩膜层光刻制作注入保护图形；
在外延片表面进行P离子注入，并腐蚀掉外延片表面剩下的二氧化硅掩膜；
在外延片表面重新淀积二氧化硅掩膜；
对外延片进行快速热退火；
腐蚀掉二氧化硅掩膜、InP缓冲层和InGaAsP刻蚀停止层；
利用掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口；
制作光栅，然后腐蚀掉残留的InP光栅掩膜层；
在外延片上外延生长p-InP、p-InGaAsP刻蚀阻止层、上p-InP盖层和p-InGaAs接触层；
刻蚀该外延片制作脊形结构，并形成波导；
利用光刻胶掩膜光刻，腐蚀掉p-InGaAs接触层，形成隔离沟，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区，然后生长二氧化硅介质膜；
在脊形条上开电极窗口，溅射P面上接触电极，光刻电极图形；减薄后，背面蒸发N面下接触电极；
解理出单条取样光栅分布布拉格反射激光器与半导体光放大器单片集成器件管芯，在其前后出光面镀增透膜。
上述方案中，所述在n型InP衬底上依次外延生长外延层结构的步骤，包括：采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD方法在n型InP衬底上依次外延生长n-InP缓冲层(1)、InGaAsP下限制层(2)、InGaAsP/InGaAsP多量子阱(3)、InGaAsP上限制层(4)、InP光栅掩膜层(5)、InGaAsP刻蚀停止层(6)和InP注入缓冲层(7)。
上述方案中，所述利用该二氧化硅掩膜层光刻制作注入保护图形的步骤中，在增益区和光放大器区留下二氧化硅掩膜，腐蚀掉其余区域的二氧化硅掩膜。
上述方案中，所述对外延片进行快速热退火的步骤，包括：将外延片至于快速退火炉中，在氮气保护环境下，在一定温度下进行一定时间的快速热退火。
上述方案中，所述利用掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口的步骤中，在制作光栅区域腐蚀掉InP光栅掩膜层，其他区域留下InP光栅掩膜层。
上述方案中，所述制作光栅是采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术实现的。
上述方案中，所述在外延片上外延生长p-InP、p-InGaAsP刻蚀阻止层、上p-InP盖层和p-InGaAs接触层，是采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD方法实现的。
上述方案中，所述刻蚀该外延片制作脊形结构并形成波导的步骤中，是利用干湿法刻蚀技术刻蚀该外延片至刻蚀阻止层，来制作脊形结构并形成波导。
上述方案中，该方法通过磷离子注入和高温快速退火使取样分布布拉格光栅区及相区的材料带隙波长进行蓝移80-200nm，从而降低波导吸收损耗。
(三)有益效果
本发明提供的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件及其制作方法，通过量子阱混杂技术实现在光栅区和相区同增益区和放大区带隙波长的蓝移，通过弧形的放大器区波导减小端面反射带来的影响，相对传统的取样光栅分布布拉格反射激光器具有以下优点：
1、取样光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器单片集成，有效的减小了器件尺寸；
2、取样光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器单片集成，有效的减小了器件功耗；
3、取样光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器单片集成，可以提供更高的增益，提高出光功率；
4、取样光栅分布布拉格反射激光器同半导体光放大器单片集成，可以有效的实现各个波长间的功率平衡；
5、采用标准的半导体器件制作工艺，重复性好，容易实现。
附图说明
图1是依照本发明实施例的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的示意图；
图2是依照本发明实施例的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法流程图；
图3是依照本发明实施例的量子阱外延结构的示意图；
图4是依照本发明实施例的磷离子注入保护图形的示意图；
图5是依照本发明实施例的制作取样光栅的示意图；
图6是依照本发明实施例的制作光栅后接触生长结构的示意图；
图7是依照本发明实施例的制作脊波导的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的示意图，该单片集成器件包括五段，依次为光放大器区19、与光放大器区相邻的前取样光栅区20、与前取样光栅区相邻的增益区21、与增益区相邻的相区22，以及与相区相邻的后取样光栅区23。
其中，所述光放大器区19内具有脊形条，该脊形条为弧形脊形条25；所述光放大器区19外具有脊形条，该脊形条为直条脊形条24。所述弧形脊形条25的一端与前取样光栅区20的直条脊形条24相连接，另一端与前取样光栅区20的直条脊条24形成5～7度角，从而减小端面反射。
基于图1所示的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的示意图，图2示出了依照本发明实施例的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤201：在n型InP衬底上依次外延生长外延层结构；
在本步骤中，利用MOCVD方法在n型InP衬底上依次外延n-InP缓冲层(1)，InGaAsP下限制层(2)，InGaAsP/InGaAsP多量子阱(3)，InGaAsP上限制层(4)，InP光栅掩膜层(5)，InGaAsP刻蚀停止层(6)，InP注入缓冲层(7)；
步骤202：在该外延层结构上淀积二氧化硅掩膜层；
步骤203：利用该二氧化硅掩膜层光刻制作注入保护图形；
在本步骤中，掩膜光刻制作注入保护图形(9)，在增益区和光放大器区留下二氧化硅掩膜，其余区域腐蚀掉二氧化硅掩膜；
步骤204：在外延片表面进行P离子注入，并腐蚀掉外延片表面剩下的二氧化硅掩膜(8)；
步骤205：在外延片表面重新淀积二氧化硅掩膜；
步骤206：对外延片进行快速热退火；
在本步骤中，将外延片至于快速退火炉中，在氮气保护环境下，在一定温度下经过一定时间的快速热退火过程；
步骤207：腐蚀掉二氧化硅掩膜、InP缓冲层和InGaAsP刻蚀停止层；
步骤208：利用掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口；
在本步骤中，掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口，在制作光栅区域腐蚀掉InP光栅掩膜层，其他区域留下InP光栅掩膜层；
步骤209：采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术制作光栅(11)，然后腐蚀掉残留的InP光栅掩膜层；
步骤210：利用MOCVD方法在外延片上外延生长p-InP、p-InGaAsP刻蚀阻止层、上p-InP盖层和p-InGaAs接触层；
步骤211：利用干湿法刻蚀技术刻蚀该外延片制作脊形结构，并形成波导；
步骤212：利用光刻胶掩膜光刻，腐蚀掉p-InGaAs接触层，形成隔离沟，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区，然后生长二氧化硅介质膜；
步骤213：在脊形条上开电极窗口，溅射P面上接触电极，光刻电极图形；减薄后，背面蒸发N面下接触电极；
步骤214：解理出单条取样光栅分布布拉格反射激光器与半导体光放大器单片集成器件管芯，在其前后出光面镀增透膜。
在本实施例中，通过磷离子注入和高温快速退火使取样分布布拉格光栅区及相区的材料带隙波长进行蓝移80-200nm，从而降低波导吸收损耗。
在本实施例中，通过He离子注入使隔离沟成为高阻区，从而实现各电极之间的电隔离。
图3是依照本发明实施例的量子阱外延结构的示意图，其中1为n-InP缓冲层，2为InGaAsP下限制层，3为InGaAsP/InGaAsP多量子阱，4为InGaAsP上限制层，5为InP光栅掩膜层，6为InGaAsP刻蚀停止层，7为InP注入缓冲层。
图4是依照本发明实施例的磷离子注入保护图形的示意图，其中8为二氧化硅掩膜，9为磷离子注入掩蔽区域。
图5是依照本发明实施例的制作取样光栅的示意图，其中10为磷离子注入后的InGaAsP/InGaAsP多量子阱，11为制作后的取样光栅。
图6是依照本发明实施例的制作光栅后接触生长结构的示意图，其中12为p-InP，13为p-InGaAsP刻蚀阻止层，14为上p-InP盖层，15为p-InGaAs接触层。
图7是依照本发明实施例的制作脊波导的示意图，其中16为二氧化硅介质膜，17为上接触电极，18为He离子注入形成的隔离沟。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种可调谐激光器与光放大器的单片集成器件，其特征在于，该单片集成器件包括五段，依次为光放大器区(19)、与光放大器区相邻的前取样光栅区(20)、与前取样光栅区相邻的增益区(21)、与增益区相邻的相区(22)，以及与相区相邻的后取样光栅区(23)。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件，其特征在于，所述光放大器区(19)内具有脊形条，该脊形条为弧形脊形条(25)；所述光放大器区(19)外具有脊形条，该脊形条为直条脊形条(24)。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光器与光放大器的单片集成器件，其特征在于，所述弧形脊形条(25)的一端与前取样光栅区(20)的直条脊形条(24)相连接，另一端与前取样光栅区(20)的直条脊条(24)形成5～7度角，从而减小端面反射。
4.一种制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，该方法包括：
在n型InP衬底上依次外延生长外延层结构；
在该外延层结构上淀积二氧化硅掩膜层；
利用该二氧化硅掩膜层光刻制作注入保护图形；
在外延片表面进行P离子注入，并腐蚀掉外延片表面剩下的二氧化硅掩膜；
在外延片表面重新淀积二氧化硅掩膜；
对外延片进行快速热退火；
腐蚀掉二氧化硅掩膜、InP缓冲层和InGaAsP刻蚀停止层；
利用掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口；
制作光栅，然后腐蚀掉残留的InP光栅掩膜层；
在外延片上外延生长p-InP、p-InGaAsP刻蚀阻止层、上p-InP盖层和p-InGaAs接触层；
刻蚀该外延片制作脊形结构，并形成波导；
利用光刻胶掩膜光刻，腐蚀掉p-InGaAs接触层，形成隔离沟，并进行He离子注入使隔离沟成为高阻区，然后生长二氧化硅介质膜；
在脊形条上开电极窗口，溅射P面上接触电极，光刻电极图形；减薄后，背面蒸发N面下接触电极；
解理出单条取样光栅分布布拉格反射激光器与半导体光放大器单片集成器件管芯，在其前后出光面镀增透膜。
5.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述在n型InP衬底上依次外延生长外延层结构的步骤，包括：
采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD方法在n型InP衬底上依次外延生长n-InP缓冲层(1)、InGaAsP下限制层(2)、InGaAsP/InGaAsP多量子阱(3)、InGaAsP上限制层(4)、InP光栅掩膜层(5)、InGaAsP刻蚀停止层(6)和InP注入缓冲层(7)。
6.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述利用该二氧化硅掩膜层光刻制作注入保护图形的步骤中，在增益区和光放大器区留下二氧化硅掩膜，腐蚀掉其余区域的二氧化硅掩膜。
7.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述对外延片进行快速热退火的步骤，包括：
将外延片至于快速退火炉中，在氮气保护环境下，在一定温度下进行一定时间的快速热退火。
8.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述利用掩膜光刻制作取样光栅光栅窗口的步骤中，在制作光栅区域腐蚀掉InP光栅掩膜层，其他区域留下InP光栅掩膜层。
9.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述制作光栅是采用全息曝光技术和干湿法刻蚀技术实现的。
10.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述在外延片上外延生长p-InP、p-InGaAsP刻蚀阻止层、上p-InP盖层和p-InGaAs接触层，是采用金属有机化合物化学气相淀积MOCVD方法实现的。
11.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，所述刻蚀该外延片制作脊形结构并形成波导的步骤中，是利用干湿法刻蚀技术刻蚀该外延片至刻蚀阻止层，来制作脊形结构并形成波导。
12.根据权利要求4所述的制作可调谐激光器与光放大器的单片集成器件的方法，其特征在于，该方法通过磷离子注入和高温快速退火使取样分布布拉格光栅区及相区的材料带隙波长进行蓝移80-200nm，从而降低波导吸收损耗。
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