CN102520531B

CN102520531B - n-i-n型电光调制器

Info

Publication number: CN102520531B
Application number: CN201110424539.6A
Authority: CN
Inventors: 孙长征; 郭丽丽; 熊兵; 罗毅; 赵湘楠
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: CN102520531A

Abstract

本发明涉及光通信中的光电子器件领域，公开了一种n-i-n型电光调制器，从下至上依次包括：衬底、下欧姆接触层、下限制层、下导波层、有源层、上导波层、上限制层和上欧姆接触层，上、下限制层为N型掺杂结构；所述有源层的禁带宽度为E_g1、折射率为n1，上、下导波层的禁带宽度为E_g2、折射率为n2，上、下限制层的禁带宽度为E_g3、折射率为n3，禁带宽度满足E_g1＞E_g3＞E_g2的关系，折射率满足n2＞n1＞n3的关系。本发明能够改善电光调制器的调制特性。

Description

n-i-n型电光调制器

技术领域

本发明涉及光通信中的光电子器件领域，特别涉及一种n-i-n型电光调制器。

背景技术

电光调制器在光纤通信领域，特别是在利用高级调制格式的高频谱效率光纤网络中起着至关重要的作用。驱动电压是电光调制器重要的参数之一，较低的驱动电压有助于改善系统特性，降低功率损耗。与LiNbO₃基电光调制器相比，III-V族电光调制器具有结构紧凑、半波电压低、易集成等优点，其在未来光通信领域可发挥越来越大的作用。

传统的III-V族半导体电光调制器采用反向偏置的p-i-n型结构，优点在于电压加载效率高，但p-i-n型结构的P区自由载流子吸收较大，导致p-i-n型波导结构的波导损耗较大。据文献报道，n型半导体中的光传输损耗是p型半导体的1/20，因此，用n型阻挡层代替p型阻挡层可大大减少波导结构的传输损耗，进而提高调制效率。

针对p-i-n型电光调制器波导损耗大的缺点，日本NTT公司在2003年左右提出n-SI-I-n结构材料的InP基电光调制器。其中，SI层为半绝缘InP层，起到阻抗和速度匹配以及阻挡漏电流的作用。该器件长度为3mm，采用类共面波导电极，在带宽为42GHz情况下，半波电压为2.2V，是近年来InP基电光调制器中较好的一种。但这种结构有一个缺陷：InP层要分掉很大一部分电压，降低了调制效率，从而使得半波电压难以进一步降低。

直接采用n-i-n型材料制作调制器波导，由于p区的自由载流子比n区的自由载流子吸收大很多，采用n型覆盖层可降低光场的波导损耗。但一般的n-i-n结构中不存在反偏PN结，不能形成电流阻挡，在加电压后形成电子电流，难以形成有效的电场进行电光调制。国内外还没有关于n-i-n型电光调制器的公开文献。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：如何改善电光调制器的调制特性。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种n-i-n型电光调制器，从下至上依次包括：衬底、下欧姆接触层、下限制层、下导波层、有源层、上导波层、上限制层和上欧姆接触层，上、下限制层为N型掺杂结构；所述有源层的禁带宽度为E_g1、折射率为n1，上、下导波层的禁带宽度为E_g2、折射率为n2，上、下限制层的禁带宽度为E_g3、折射率为n3，禁带宽度满足E_g1＞E_g3＞E_g2的关系，折射率满足n2＞n1＞n3的关系。

优选地，所述衬底为InP材料，所述有源层和上、下导波层的材料均与所述衬底的材料晶格匹配，且上、下限制层为N型InP材料。

优选地，所述有源层为InAlAs体材料，上、下导波层为InGaAsP材料。

优选地，所述有源层为N型掺杂的多量子阱结构，所述多量子阱结构的势阱层的禁带宽度为E_g4，所述多量子阱结构的势垒层的禁带宽度为E_g5，所述多量子阱结构的等效折射率为n6，禁带宽度满足E_g5＞E_g3＞E_g2＞E_g4的关系，折射率满足n2＞n6＞n3的关系。

优选地，所述有源层为InGaAsP/InAlAs多量子阱结构，上、下导波层为InGaAsP材料。

(三)有益效果

本发明通过特定的能带结构可形成有源层与限制层之间的较大导带不连续性，在加上电场后可阻挡电子的漂移运动，进而阻挡漏电流的形成，降低漏电流对微波信号的影响，且特定的折射率关系可以同时有效地限制光场。若有源区采用特定材料的量子阱结构，不仅可以提高二次电光效应，而且可以进一步降低漏电流的影响。因此，本发明能够改善电光调制器的调制特性。

附图说明

图1a和图1b分别是本发明的n-i-n型半导体电光调制器结构图及能带结构图；

图2a和图2b分别是本发明的另一种n-i-n型半导体电光调制器结构图及能带结构图，图2c为图2b中A部分的局部放大图；

图3a和图3b分别是依据本发明实施例一的n-i-n型半导体电光调制器结构图及能带结构图；

图4a和图4b分别是依据本发明实施例二的n-i-n型半导体电光调制器结构图及能带结构图。

其中，1：衬底；2：欧姆接触层；3：N型限制层；4：有源层；5：导波层；6：多量子阱有源层；7：多量子阱势垒层；8：多量子阱势阱层；9：半绝缘InP衬底；10：N型掺杂InGaAs欧姆接触层；11：InAlAs有源层；12：InGaAsP导波层；13：N型掺杂InP限制层；14：N型掺杂InGaAsP/InAlAs多量子阱有源层。

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种n-i-n型电光调制器，结合附图和实施例详细说明。

本发明提供的一种n-i-n型电光调制器，其结构如图1a所示，其能带结构图如图1b所示，该电光调制器包括衬底1、欧姆接触层2、N型限制层3、有源层4和导波层5，从下至上依次为：衬底、下欧姆接触层、下限制层、下导波层、有源层、上导波层、上限制层和上欧姆接触层，上、下限制层为N型掺杂结构；所述有源层的禁带宽度为E_g1、折射率为n1，上、下导波层的禁带宽度为E_g2、折射率为n2，上、下限制层的禁带宽度为E_g3、折射率为n3，禁带宽度满足E_g1＞E_g3＞E_g2的关系，折射率满足n2＞n1＞n3的关系。

所述衬底为InP材料，所述有源层和上、下导波层的材料均与所述衬底的材料晶格匹配，且上、下限制层为N型InP材料。优选地，所述有源层为InAlAs体材料，上、下导波层为InGaAsP材料。

如图1所示，有源层与限制层较大的导带不连续性，在加上电场后可阻挡电子的漂移运动，进而阻挡漏电流的形成。而有源层折射率比限制层折射率稍大，不能很好地限光，因此增加了禁带宽度小、折射率大的导波层以更好地限制光场。

以下用实施例一说明这种结构的n-i-n型电光调制器。

实施例一

如图3a所示，为InP基的InP-InAlAs-InP半导体电光调制器的结构，其能带结构图如图3b所示。其中，限制层为N型掺杂InP限制层13，掺杂浓度为10¹⁷量级。欧姆接触层采用N型掺杂InGaAs材料，为N型掺杂InGaAs欧姆接触层10。有源层(也称为有源区)采用InP晶格匹配的InAlAs(E_g＝1.45eV)体材料，是InAlAs有源层11，波导宽度均为2um，InAlAs有源层11的厚度为390nm。在InAlAs有源层11两侧引入厚度为50nm的InGaAsP(E_g＝0.95eV)导波层12的目的是为了更有效地限制光场。为减小微波信号的电损耗，衬底为半绝缘的InP衬底9，波导采用高脊结构是为了减小有源区电容值和增强对光场的限制。

图3b是InP-InAlAs-InP半导体电光调制器的能带结构图。由于N型掺杂InP限制层13和InAlAs有源层11形成大约0.3eV的导带不连续性，导致大部分电子不能穿过有源层，从而降低了n-i-n结构的漏电流。在没有漏电流影响下，用有限元法计算得CPW(共面电极)下的微波传输特性的6dB带宽为80Ghz。在有漏电流影响下，行波电极等效为一个有损的传输线，漏电流造成的微波损耗对电极的带宽有很大的影响。

为了计算漏电流影响下的微波特性，首先从电极的I-V特性曲线计算出在特定偏压下有源区的导电率，然后用有限元法计算电极的微波特性。由上述方法得出漏电流影响下的微波信号6dB带宽为80Ghz，与没有漏电流模型下的带宽相同，这说明在本实施例的InP-InAlAs-InP结构中，有源层与限制层较大的导带不连续性所导致的较大的异质结势垒有效地阻挡了漏电流的形成，使得漏电流对微波特性的影响很小。

由于量子限制斯塔克效应，多量子阱结构相对于体材料来说有更高的二阶电光效应，为提高调制器的调制效率，可采用多量子阱结构作为电光调制器的有源层。基于这种原理，本发明提供了另一种n-i-n型电光调制器，其结构如图2a所示，其能带结构图如图2b所示，图2c中，7为多量子阱势垒层，8为多量子阱势阱层。所述有源层为N型掺杂的多量子阱结构，所述多量子阱结构的势阱层的禁带宽度为E_g4，所述多量子阱结构的势垒层的禁带宽度为E_g5，所述多量子阱结构的等效折射率为n6，禁带宽度满足E_g5＞E_g3＞E_g2＞E_g4的关系，折射率满足n2＞n6＞n3的关系。

所述衬底为InP材料，所述有源层和上、下导波层的材料均与所述衬底的材料晶格匹配，且上、下限制层为N型InP材料。优选地，所述有源层为InGaAsP/InAlAs多量子阱结构，上、下导波层为InGaAsP材料。

图2a所示的这种结构中，量子阱形成周期性的大的导带不连续性，可阻挡电子的漂移运动，同时由于量子阱的反射作用，也可阻挡部分电子的移动，进而降低漏电流的大小。

以下用实施例二说明这种结构的n-i-n型电光调制器。

实施例二

如图4a所示，有源层可采用20个周期的InGaAsP(E_g＝0.95eV)/InAlAs(E_g＝1.45eV)量子阱的n-i-n结构，为N型掺杂InGaAsP/InAlAs(‘/’表示量子阱，‘/’左边是阱，右边是垒)多量子阱有源层14，有源层的总厚度为390nm。为了有效地限制光场，采用50nm的InGaAsP(E_g＝0.95eV)导波层12。由于InGaAsP(E_g＝0.95eV)/InAlAs(E_g＝1.45eV)多量子阱所形成的势垒不仅有阻挡漏电流的作用，同时由于多量子阱的能带结构可以对电子形成一定的反射，导致量子阱情况下的能带结构可以更有效地对漏电流进行阻挡。通过计算可得出量子阱结构的漏电流比实施例一的漏电流小一个数量级，证明了此种量子阱结构更有效地阻挡漏电流的形成。

以上所提及的图1a～图4b中，E_c代表能带的导带底，E_v代表能带的价带顶，图3b和图4b中0.3eV和0.35eV均表示有源层和限制层所形成的导带不连续性的大小。图1b、图2b、图3b和图4b所示的能带图中，各层之间以虚线相隔。以图1b为例，左边和右边都是N型限制层3，中间是有源层4，而N型限制层3与有源层4中间是导波层5。可以看出，这些能带图的观测方向相对于其对应的调制器结构图都旋转了90°。

由以上实施例可以看出，本发明提出了一种可以改善半导体电光调制器的调制特性的n-i-n型结构，此种结构可以使电压有效地加载在i区，降低半波电压。通过有源层和限制层形成的较大导带不连续性对电流形成有效的阻挡，降低漏电流对微波信号的影响，且特定的折射率关系可以同时有效地限制光场。若有源区采用特定材料(指能带结构可形成周期性的大的导带不连续性，足以阻挡漏电流的量子阱材料)的量子阱结构，不仅可以提高二次电光效应，而且可以进一步降低漏电流的影响。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种n-i-n型电光调制器，从下至上依次包括：衬底、下欧姆接触层、下限制层、下导波层、有源层、上导波层、上限制层和上欧姆接触层，所述上、下限制层为N型掺杂结构；所述有源层的禁带宽度为E_g1、折射率为n1，所述上、下导波层的禁带宽度为E_g2、折射率为n2，所述上、下限制层的禁带宽度为E_g3、折射率为n3，其特征在于，禁带宽度满足E_g1>E_g3>E_g2的关系，折射率满足n2>n1>n3的关系。

2.如权利要求1所述的n-i-n型电光调制器，其特征在于，所述衬底为InP材料，所述有源层和上、下导波层的材料均与所述衬底的材料晶格匹配，且上、下限制层为N型InP材料。

3.如权利要求2所述的n-i-n型电光调制器，其特征在于，所述有源层为InAlAs体材料，上、下导波层为InGaAsP材料。

4.一种n-i-n型电光调制器，从下至上依次包括：衬底、下欧姆接触层、下限制层、下导波层、有源层、上导波层、上限制层和上欧姆接触层，所述上、下限制层为N型掺杂结构；所述上、下导波层的禁带宽度为E_g2、折射率为n2，所述上、下限制层的禁带宽度为E_g3、折射率为n3，所述有源层为N型掺杂的多量子阱结构，所述多量子阱结构的势阱层的禁带宽度为E_g4，所述多量子阱结构的势垒层的禁带宽度为E_g5，所述多量子阱结构的等效折射率为n6，其特征在于，禁带宽度满足E_g5>E_g3>E_g2>E_g4的关系，折射率满足n2>n6>n3的关系。

5.如权利要求4所述的n-i-n型电光调制器，其特征在于，所述衬底为InP材料，所述有源层和上、下导波层的材料均与所述衬底的材料晶格匹配，且上、下限制层为N型InP材料。

6.如权利要求5所述的n-i-n型电光调制器，其特征在于，所述有源层为InGaAsP/InAlAs多量子阱结构，上、下导波层为InGaAsP材料。