CN102162968B - 量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法 - Google Patents

量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，包括：在n型InP衬底上外延生长n型InP缓冲层、电吸收调制器下限制层、电吸收调制器多量子阱、电吸收调制器上限制层和本征InP注入缓冲层；生长SiO2保护层；形成放大器区和电吸收调制器区；腐蚀掉电吸收调制器区的SiO2保护层，在本征InP注入缓冲层上生长SiO2层；快速热退火；腐蚀掉SiO2层；在电吸收调制器上限制层上依次生长n型InP光限制因子调整层、放大器下限制层、放大器多量子阱和放大器上限制层；腐蚀掉电吸收调制器区的放大器上限制层、放大器多量子阱、放大器下限制层和n型InP光限制因子调整层；在放大器区和电吸收调制器区上生长p型InP包层和p型InGaAs电极接触层，完成器件的制作。

Description

量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法
技术领域
本发明涉及采用量子阱混杂(QWI)技术与偏移量子阱(Offset-MQW)结构，结合常规的湿法腐蚀和光刻工艺制作一种量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法。
背景技术
在长距离高速大容量的光网络中，单一信道的速率提高到一定水平时，如＞10Gbps，光信号在传输过程中更易恶化，恶化源主要有：(a)光纤及光器件的群速度色散(GVD)、光纤的偏振模色散导致脉冲展宽；(b)光放大器的自发辐射噪声(ASE)所引起的噪声积累；(c)各种光纤非线性效应，包括交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和受激拉曼散射(SRS)等，导致脉冲形状发生畸变。因此，信号再生变得非常重要。传统的再生主要是光-电-光方式，信号的再生在电域完成，光域只负责传输。其性能必然要受到光电转换速度和电子器件本身处理速度的制约，无法满足未来高速光网络的需求。为了解除电子速度的制约，全光信号再生成为首选。顾名思义，全光信号再生就是信号的再生过程都在光域完成，不涉及光电转换和电信号处理，既降低了系统复杂度，又提高了运行速度。
光信号的再生分为三个层次：1R(Reamplification)，再放大；2R(Reamplification and Reshaping)，再放大和再整形；3R(Reamplification、Reshaping and Retiming)，再放大、再整形和再定时。1R再生器相当于在线的信号放大器如半导体光放大器(SOA)或掺铒光纤放大器(EDFA)，这种在线放大器虽然能增加信号的幅度，但是同时会引入附加的ASE噪声。2R再生器则是需要在信号幅度和形状两个方面进行补偿，2R再生同时可以减小信号的幅度噪声，改善信号的消光比。所以，2R再生器可以提高无中继传输距离，尤其是可以多个2R再生器级联使用。但是，随着2R再生器级联数量的增加，时间抖动不断积累，从而限制了最大无中继距离。消除时间抖动的影响，需要时钟恢复技术即Retiming，再加上前面的2R就可以完成光信号的完全再生了。由此可见，全光2R再生是全光信号再生的重要组成部分。
全光2R再生的实现方式各异，总结起来可以分为以下两大类：
(1)利用光纤中的各种非线性效应，如自相位调制(SPM)、四波混频(FWM)或多波混频(MWM)等。利用光纤实现2R再生的优点在于超快的响应时间(＜1ps)；与传输光纤兼容，不存在耦合问题；最近的研究表明，这种方式可以实现多波长同时再生。但这种方式的缺点也比较明显，如系统体积庞大，无法集成；对峰值波动的改善有限；固有的波长变换等。
(2)利用各种半导体器件中的非线性，如半导体光放大器、基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、电吸收调制器(EAM)或可饱和吸收体(SA)、半导体光放大器和电吸收调制器或可饱和吸收体相结合等。与光纤相比，半导体器件结构紧凑、利于集成，容易实现多功能性。单独的半导体光放大器，可以利用自相位调制、非线性偏振旋转(NPR)等实现2R再生，但是运行速度受到载流子恢复时间的限制。为了克服载流子恢复时间的影响，可以采用干涉仪结构即基于SOA的MZI。基于SOA的MZI可以实现很高的速率，但是难点在于器件的制备方面。干涉仪结构需要两个臂的各种参数严格相等，这就对工艺精度提出了很高的要求。电吸收调制器或可饱和吸收体利用的是饱和吸收效应，可以有效的消除低位噪声，但对高位噪声的改善有限。此外，这类器件固有的吸收本性需要很高的入射光功率。为了降低输入光功率，可饱和吸收体或电吸收调制器可以和半导体光放大器级联使用，同时半导体光放大器的饱和增益特性还可以降低高位噪声。此外，电吸收调制器和半导体光放大器可以单片集成，单一器件就可以实现2R再生，降低了系统的复杂度。因此，半导体光放大器和电吸收调制器的单片集成器件是最有前途的2R再生器。
半导体光放大器和电吸收调制器的单片集成技术有很多，主要有对接生长，选择区域生长(SAG)，双叠层量子阱结构。对接生长需要腐蚀一次，工艺精度要求非常高，而且生长界面难于控制，两次生长的有源区之间的对接界面常常出现孔洞，尤其是多量子阱和多量子阱之间的对接界面。选择区域生长只需一次外延就可以同时实现放大器和调制器的量子阱，但是这种方式放大器和调制器的量子阱参数互相制约，无法分别优化。双叠层量子阱结构，一次生长两种量子阱，量子阱参数可以分别优化，但是放大区的调制器量子阱不仅会吸收光，而且还会消耗注入载流子，降低了放大器的效率。用于2R再生的半导体光放大器和电吸收调制器单片集成器件，同时利用了半导体光放大器的饱和增益特性和电吸收调制器的饱和吸收特性，这就要求半导体光放大器的饱和输出功率大，后面的电吸收调制器才能饱和。而半导体光放大器的饱和输出功率是与光限制因子成反比的，因此可以采用偏移量子阱结构来调整光限制因子，进一步调整半导体光放大器的饱和输出功率。上述集成方法中只有对接生长可以调整光限制因子，但如前所述，对接生长的晶体质量很难保证。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，偏移量子阱结构可以减小光放大器的光限制因子，并使光限制因子在一定范围内可调。同时，量子阱混杂可以使放大器区的电吸收调制器的波长发生很大蓝移，减小其对注入载流子的消耗和对入射光的吸收。
本发明提供一种量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在n型InP衬底上依次外延生长n型InP缓冲层、电吸收调制器下限制层、电吸收调制器多量子阱、电吸收调制器上限制层和本征InP注入缓冲层；
步骤2：利用热氧化的方法在本征InP注入缓冲层上生长SiO2保护层；
步骤3：利用光刻板，腐蚀去除本征InP注入缓冲层上一侧的SiO2保护层，腐蚀去除SiO2保护层的部分为放大器区，保留SiO2保护层的部分为电吸收调制器区；
步骤4：使用热耙低能磷离子注入，在放大器区的本征InP注入缓冲层产生点缺陷；
步骤5：利用HF溶液腐蚀掉电吸收调制器区的SiO2保护层，同时利用PECVD方法在本征InP注入缓冲层上生长SiO2层，以免随后的快速热退火过程中表面的InP发生分解；
步骤6：快速热退火；
步骤7：利用HF溶液腐蚀掉SiO2层，同时利用HCl∶H2O＝4∶1溶液腐蚀掉本征InP注入缓冲层；
步骤8：清洗后，在电吸收调制器上限制层上依次生长n型InP光限制因子调整层、放大器下限制层、放大器多量子阱和放大器上限制层；
步骤9：利用光刻版，保护放大器区，腐蚀掉电吸收调制器区的放大器上限制层、放大器多量子阱、放大器下限制层和n型InP光限制因子调整层；
步骤10：清洗后，在放大器区和电吸收调制器区上生长p型InP包层和p型InGaAs电极接触层，完成器件的制作。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合说明书附图对本发明作详细的描述，其中：
图1-图6是本发明的流程图。
具体实施方式
请参阅图1至图6，本发明量子阱偏移光放大器与电吸收调制器的制作方法，具体的实施步骤如下：
步骤1：采用低压金属有机物化学气相沉积法(LP-MOCVD)，在n型InP衬底1的(001)面上依次外延生长n型InP缓冲层2、电吸收调制器下限制层3、电吸收调制器多量子阱4、电吸收调制器上限制层5和本征InP注入缓冲层6(图1中)；
其中，电吸收调制器下限制层3、电吸收调制器多量子阱4、电吸收调制器下限制层5和InP注入缓冲层6均为非故意掺杂；
其中，电吸收调制器下限制层3和电吸收调制器上限制层5均为1.2Q(与InP晶格匹配，带隙波长为1.2μm的InGaAsP)，厚度都是100nm；
其中，电吸收调制器多量子阱4的量子阱数量为8-12个，光荧光波长范围为1470-1500nm，该电吸收调制器多量子阱4的阱材料是张应变的，为了实现偏振不灵敏，垒材料是压应变的，为了应变补偿；
其中，本征InP注入缓冲层6的厚度为250-300nm；
步骤2：利用热氧化的方法在本征InP注入缓冲层6上生长SiO2保护层7(图2中)；
步骤3：利用光刻板，腐蚀去除本征InP注入缓冲层6上一侧的SiO2保护层7，腐蚀去除SiO2保护层7的部分为放大器区8，保留SiO2保护层7的部分为电吸收调制器区9(图2中)；
步骤4：使用热耙低能磷离子注入，在放大器区8的本征InP注入缓冲层6中产生点缺陷(图2中)；
其中，热耙温度为200℃，注入能量为50KeV，注入剂量为5×1013/cm3；
步骤5：热耙低能磷离子注入后，利用HF溶液腐蚀掉电吸收调制器区9的SiO2保护层7，同时利用PECVD方法在本征InP注入缓冲层6上生长SiO2层10，以免随后的快速热退火过程中表面的InP发生分解(图3中)；
步骤6：快速热退火，该快速热退火的温度为700℃，退火时间为120-180s；
其中，快速热退火后放大器区8的电吸收调制器多量子阱4光荧光波长发生很大蓝移，波长蓝移量≥100nm，蓝移后变成图3中的4a；电吸收调制器区9的电吸收调制器多量子阱4光荧光波长发生很小蓝移，波长蓝移量≤10nm，蓝移后变成图3中的4b；
步骤7：利用HF溶液腐蚀掉SiO2层10，同时利用HCl∶H2O＝4∶1溶液腐蚀掉本征InP注入缓冲层6；
步骤8：严格清洗后，在电吸收调制器上限制层5上依次生长n型InP光限制因子调整层11、放大器下限制层12、放大器多量子阱13和放大器上限制层14(图4中)；
其中，n型InP光限制因子调整层11的掺杂浓度为1018/cm3-1019/cm3；n型InP光限制因子调整层11的厚度为10-500nm；
其中，放大器下限制层12、放大器多量子阱13和和放大器上限制层14均为非故意掺杂；
其中，放大器下限制层12和放大器上限制层14的厚度均为50-100nm；
其中，放大器多量子阱13的量子阱数量为3-6个，光荧光波长范围为1530-1560nm，该放大器多量子阱13的阱材料是张应变的，为了实现偏振不灵敏，垒材料是与InP晶格匹配或者是压应变的；
其中，快速热退火后的电吸收调制器多量子阱4a与放大器多量子阱13的光荧光波长差≥150nm；
步骤9：利用光刻版，保护放大器区8，使用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1溶液腐蚀掉电吸收调制器区9的放大器上限制层14、放大器多量子阱13、放大器下限制层12，再用HCl∶H2O＝4∶1溶液腐蚀掉电吸收调制器区9的n型InP光限制因子调整层11(图5中)；
步骤10：严格清洗后，在放大器区8和电吸收调制器区9上生长p型InP包层15和p型InGaAs电极接触层16(图6中)，完成器件的制作。
本发明采用量子阱混杂技术和偏移量子阱结构来制作用于全光信号2R再生的半导体光放大器和电吸收调制器单片集成器件，所采用的量子阱混杂技术是为了增大放大器区的放大器量子阱和调制器量子阱之间的波长差，从而减小调制器量子阱对放大器区注入载流子的消耗和减少调制器量子阱对入射光的吸收；偏移量子阱结构是为了减小放大器的光限制因子，并且使光限制因子在一定范围内可调，最终目的是增加放大器的饱和输出功率，并且使饱和输出功率在一定范围内可调，增加了器件设计上的自由度。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在n型InP衬底上依次外延生长n型InP缓冲层、电吸收调制器下限制层、电吸收调制器多量子阱、电吸收调制器上限制层和本征InP注入缓冲层；
步骤2：利用热氧化的方法在本征InP注入缓冲层上生长SiO2保护层；
步骤3：利用光刻板，腐蚀去除本征InP注入缓冲层上一侧的SiO2保护层，腐蚀去除SiO2保护层的部分为放大器区，保留SiO2保护层的部分为电吸收调制器区；
步骤4：使用热耙低能磷离子注入，在放大器区的本征InP注入缓冲层产生点缺陷；
步骤5：利用HF溶液腐蚀掉电吸收调制器区的SiO2保护层，同时利用PECVD方法在本征InP注入缓冲层上生长SiO2层，以免随后的快速热退火过程中表面的InP发生分解；
步骤6：快速热退火；
步骤7：利用HF溶液腐蚀掉SiO2层，同时利用HCl∶H2O＝4∶1溶液腐蚀掉本征InP注入缓冲层；
步骤8：清洗后，在电吸收调制器上限制层上依次生长n型InP光限制因子调整层、放大器下限制层、放大器多量子阱和放大器上限制层；
步骤9：利用光刻版，保护放大器区，腐蚀掉电吸收调制器区的放大器上限制层、放大器多量子阱、放大器下限制层和n型InP光限制因子调整层；
步骤10：清洗后，在放大器区和电吸收调制器区上生长p型InP包层和p型InGaAs电极接触层，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中电吸收调制器下限制层和电吸收调制器上限制层的厚度均为100nm。
3.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中快速热退火的温度为700℃，退火时间为120-180s。
4.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中，n型InP光限制因子调整层的掺杂浓度为1018/cm3-1019/cm3；n型InP光限制因子调整层的厚度为10-500nm。
5.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中，放大器下限制层和放大器上限制层的厚度均为50-100nm。
6.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中，电吸收调制器多量子阱的量子阱数量为8-12个，光荧光波长范围为1470-1500nm；放大器多量子阱的量子阱数量为3-6个，光荧光波长范围为1530-1560nm。
7.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中，电吸收调制器多量子阱的阱材料是张应变的，垒材料是压应变的；放大器多量子阱的阱材料是张应变的，垒材料是与InP晶格匹配或者是压应变的。
8.根据权利要求1所述的量子阱偏移光放大器和电吸收调制器的制作方法，其中，放大器区的电吸收调制器多量子阱退火后光荧光波长蓝移≥100nm，放大器区的电吸收调制器多量子阱退火后光荧光波长与放大器多量子阱的光荧光波长差≥150nm。
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