CN103257509A

CN103257509A - 选区外延单片集成的波长转换器件

Info

Publication number: CN103257509A
Application number: CN2013101275628A
Authority: CN
Inventors: 牛斌; 周代兵; 王保军; 边静; 赵玲娟; 王圩
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: CN103257509B

Abstract

本发明公开了一种选区外延单片集成的波长转换器及其制作方法。该选区外延单片集成的波长转换器报考分布反馈DFB激光器、电吸收调制器EAM、光探测器PD和光放大器SOA四个子器件；其中，所述SOA与PD之间由一段波导连接，组成SOA-PD功能区，该SOA-PD功能区中，所述SOA用于将一定波长的入射光放大，所述PD用于将放大后的入射光转换为光电流信号；所述DFB激光器与EAM之间由一段波导连接，组成电调谐激光器EML功能区；该EML功能区中，所述EAM用于将所述电流信号转换成的电压信号调制在所述DFB激光器提供的激光上，进而实现将一定波长的入射光转成为DFB激光器波长的出射光。

Description

选区外延单片集成的波长转换器件

技术领域

本发明涉及InP基集成光子器件、波分复用光信息处理器件、光逻辑门器件、单片集成波长转换器领域，尤其涉及一种选择区域外延波长转换器及其制作方法。

背景技术

在波分复用光通信网络节点中，将信号从某一波长提取再加载到另一波长上发送出去是一项重要的功能。目前商用的波长转换单元多采用复杂的OEO单元，光吸收模块与光放大模块分离，控制电路复杂。单片集成的波长转换器件将光吸收模块与光放大模块采用统一工艺制作在同一衬底上，极大程度地缩小了波长转换模块的尺寸，功耗和成本。具有广阔的应用前景。

针对波长转换的机制，国际上也提出了各种方案，如利用交叉增益调制XGM、交叉吸收调制XAM实现的波长转换器。这类器件由于需要集成多模干涉仪(MMI)，器件尺寸大，对工艺精度要求高，从而降低器件成品率，提高了成本。另一种可实现波长转换的方案是集成PD-EAM逻辑门，如“T.Yoshimatsu et al.IEEE Photonics Technology Letters2005；17：2367-2369”中提到的利用PD-EAM集成逻辑门实现100Gb/s波长转换实验。在“Matthew M.Dummer et al.Journal of Lightwave Technology2008；26：938-944”中提到，在PD-EAM逻辑门的基础上，将SG-DBR与SOA单片集成，实现大波长范围的波长转换。

具有多种增益峰要求的单片集成器件的材料制备，一般有如下方法：对接生长(Butt-join)、选区外延(SAG)、双叠层多量子阱(DQW)，如上面提到的Matthew M.采用的是DQW方法，然而该方法也有材料生长难度大等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种选区外延单片集成的波长转换器及其制作方法，其中采用InP材料选区外延生长方法可制作出分别适合DFB激光器、探测器、电吸收调制器的材料，优化整体器件性能。配合简单的外接电路可应用于波分复用光通讯领域。

本发明公开了一种选区外延单片集成的波长转换器件，其包括：

分布反馈DFB激光器、电吸收调制器EAM、光探测器PD和光放大器SOA四个子器件；

其中，所述SOA与PD之间由一段波导连接，组成SOA-PD功能区，该SOA-PD功能区中，所述SOA用于将一定波长的入射光放大，所述PD用于将放大后的入射光转换为光电流信号；

所述DFB激光器与EAM之间由一段波导连接，组成电调谐激光器EML功能区；该EML功能区中，所述EAM用于将所述电流信号转换成的电压信号调制在所述DFB激光器提供的激光上，进而实现将一定波长的入射光转成为DFB激光器波长的出射光。

本发明还公开了一种选区外延单片集成的波长转换器件制备方法，其包括：

步骤1、在衬底上外延生长缓冲层，并在所述缓冲层上制作选区外延生长图形；所述选区外延生长图形包括分布反馈DFB激光器区图形、光探测器PD区图形和光放大器SOA区图形，分别用于限定分布反馈DFB激光器区、光探测器PD区和光放大器SOA区；

步骤2、在生长了选区外延生长图形的缓冲层上依次外延生长下限制层、多量子阱层和上限制层，然后去除所述选区外延生长图形；

步骤3、在所述分布反馈DFB激光器区的上限制层上制作DFB光栅；

步骤4、外延生长盖层和电极接触层；

步骤5、制作脊条形，其包括位于所述分布反馈DFB激光器区、光探测器PD区和光放大器SOA区中的脊、连接光探测器PD区和光放大器SOA区的波导和从分布反馈DFB激光器区边沿延伸至波长转换器件出光端解离面的脊，所述从分布反馈DFB激光器区边沿延伸至波长转换器件出光端解离面的脊包括电吸收调制器EAM区上的脊和连接分布反馈DFB激光器区和电吸收调制器EAM区的波导；

步骤6、紧贴在所述电吸收调制器EAM区和光探测器PD区中的脊制作聚酰亚胺图形；

步骤7、在所述分布反馈DFB激光器区、制作有聚酰亚胺图形的光探测器PD区、光放大器SOA区和制作有聚酰亚胺图形的电吸收调制器EAM区上制作正面电极，完成分布反馈DFB激光器、光探测器PD、光放大器SOA和电吸收调制器EAM的制作；

步骤8、制作背面电极，并完成整个波长转换器件的制作。

本发明提出的上述波长转换器及其制作方法的关键是通过设计选区外延掩膜的几何尺寸，来决定激光器区、探测器区、电吸收调制器区的材料增益峰，从而实现单片上多器件的集成。配合简单的外接电路，可实现应用于光通信的波长转换功能本发明提出的上述器件和制作方法具有工艺简单，制作成本低等特点。

附图说明

图1是本发明中选区外延单片集成的波长转换器件的结构图以及外接电路用于波长转换的示意图；

图2是本发明中选区外延单片集成的波长转换器件的制作方法流程图；

图3是本发明制作过程中选区外延条形图的示意图；

图4是本发明制作过程中外延材料结构图；

图5是本发明制作过程中脊波导图形、聚酰亚胺图形示意图；

图6是本发明制作过程中正面电极图形示意图；

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，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明中选区外延单片集成的波长转换器件的结构图以及外接电路用于波长转换的示意图。该波长转换器件包括：分布反馈(DFB)激光器47、电吸收调制器(EAM)49、光探测器(PD)50、光放大器(SOA) 48以及测试用光探测器(PD-TEST)51五个子器件，该五个子器件单片集成。

SOA48与PD50之间由一段无源波导连接，组成SOA-PD功能区，位于整体集成器件的下方。该功能区中，用于将从器件入光端解理端面入射的一定波长范围的入射光信号通过SOA48放大后，再通过PD50转换为光电流信号(波长范围由PD50可吸收波长范围决定)。该光电流信号再经过简单外接负载电阻52和隔直电容53转换为电压信号，该电压信号输出至电调谐激光器(EML)功能区，用于调制输出光路。

DFB激光器47与EAM49之间由一段无源波导连接，组成电调谐激光器(EML)功能区，位于整体集成器件的上方。该功能区，用于通过所述EAM49将所述电压信号调制在所述DFB激光器47提供的的激光上，然后从器件出光端解理端面14出射。从而最终实现从一定波长范围的入射光转换为器件上DFB激光器47波长的出射光。

SOA48的入光端解理端面位置11与EAM49的出光端解理端面14分别位于一对平行解理面上，方便光纤耦合与器件封装。SOA48的脊波导由一段中直条型SOA脊和弧形SOA脊组成；该段弧形SOA脊的曲率半径为1000微米至5000微米，优选为2600微米；弧形脊30的引入是为了在解理面处脊波导传播方向与解理面法线夹角为3°至15°，优选为7°，可以有效的减小光在端面的反射。除了SOA48外，其它子器件的脊波导均为直条型，且脊波导的方向一致，垂直于EAM47的出光端解理面14。

测试用光探测器PD-TEST51与PD50由一段无源波导相连，其器件尺寸、材料结构与PD50相同，可用于替代性测试分析PD50的器件特性。其入光端面位于出光端解理端面位置14。

所有子器件脊宽为1微米到10微米。PD50与SOA48连接区的无源波导脊宽可线性渐变。无源波导长为10到100微米，优选为50微米，PD长度为10到100微米，优选为50微米，DFB激光器、SOA、EAM长度为50到1000微米，优选为300微米。

图2示出了本发明提出的选区外延单片集成的波长转换器的制作方法流程图。如图2所示，该方法具体包括：

步骤1、第一次外延。选择一N型或P型InP衬底1。在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备中进行第一次外延。生长厚度为50纳米～500纳米(优选为150纳米)的N型或P型InP缓冲层15，作为提高第二次外延材料质量的缓冲层。

步骤2、制作选取外延生长(SAG)图形。在InP缓冲层15上利用常规的等离子增强气象淀积(PECVD)方法生长厚度为50-500nm(优选为150纳米)的SiO₂或Si₃N₄介质薄膜。采用常规光刻技术，在SiO₂或Si₃N₄介质薄膜上制作SAG图形。

图3示出了本发明优选实施例中选区外延单片集成的波长转换器的SAG图形示意图。其中，选区外延单片集成的波长转换器左右两端的入射端解理端面位置11和出射端解理端面位置14相互平行，间隔200微米至2000微米(优选为700微米)。上边界34和下边界35相互平行，间隔50微米至1000微米(优选为500微米)，且垂直于入射端解理端面11。

SAG图形共有三组，包括：DFB-SAG图形3、PD-SAG图形4和SOA-SAG图形5。每组SAG图形2由一对平行的宽度恒定且相等的条型SAG图形31和一对三角形SAG过渡区10组成。这对条形SAG图形31沿条形方向的起始位置一致，终止位置也一致，条形可为直条型、弧形或者直线型和弧形相连。每一对条形SAG图形31相夹的区域为SAG区，包括：DFB-SAG区6、PD-SAG区7、SOA-SAG区8。每种SAG区宽度可各不相同，为10微米至30微米(优选为20微米)。三角形SAG过渡区10与条形SAG图形31的一端相接，且位于器件内部，即不与入射端解理端面位置11或出射端解理端面位置14相接。三角形SAG过渡区10的靠近SAG区的一边为斜边，远离SAG区的一边与条形SAG图形31平行，该边长度为5微米至20微米(优选为15微米)。每组SAG图形的条形SAG图形31宽度可各不相同，为5微米至30微米(优选为10微米)。

DFB-SAG图形3和PD-SAG图形4的条形SAG图形31优选为直条型，SOA-SAG图形5优选为一对三角形SAG过渡区10、一对直条型SOA-SAG条形12和一对弧形SOA-SAG条形13顺序相连。弧形SOA-SAG条形13与入射端解理端面位置11相接，且在入射端解理端面位置11处的切线与解理端面11的法线夹角为3°到15°。弧形SOA-SAG条形13 的曲率半径为1000微米到5000微米(优选为2600微米)。DFB-SAG图形3的条形SAG图形31，和直条型SOA-SAG条形12的长度为50微米到1000微米，与入射端解理端面位置11垂直。

DFB-SAG图形3的条形SAG图形31沿条形方向的起始位置与直条型SOA-SAG条形12的起始位置(不与弧形SOA-SAG条形13相连的一头)对齐，一直延伸至与入射端解理端面位置11。DFB-SAG图形3与SOA-SAG图形5的最近距离为10微米到100微米(优选为50微米)，与上边界34的最近距离为10微米到200微米(优选为100微米)。SOA-SAG图形5与下边界35的最近距离为10微米到200微米(优选为100微米)。

PD-SAG区7沿PD-SAG图形4的条形SAG图形31方向的中心线32，与SOA-SAG区8沿直条型SOA-SAG条形12方向的中心线33重合。PD-SAG图形4的条形SAG图形31延伸至于出射端解理端面位置14，长度为30微米到300微米(优选为200微米)。SOA-SAG区8与PD-SAG区7最近距离为10微米到100微米(优选为50微米)。

步骤3、第二次外延。在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备中依次在所述制作了选区外延生长图形SAG的InP缓冲层15上外延下限制层16、多量子阱层17、上限制层18，这三层均为铟镓砷磷材料，其增益峰值波长在1.2至1.6微米波段。

由于选区外延生长图形的存在，在SAG区中生长的材料厚度比SAG区以外生长的材料厚度(不包括选区外延条形覆盖的区域)要厚，且增厚程度随条形SAG图形31的宽度以及SAG区宽度不同而不同。材料厚度的变化，尤其是多量子阱层17厚度的增加直接导致材料增益峰的红移，从而在不同区域产生不同增益峰的材料。SAG区内的材料与其他外部区域的材料增益峰波长相比偏长10nm至100nm(优选为50纳米)。

在第二次外延过程中，有SAG图形的区域外延材料不能附着生长，因此在外延后选区外延条形不被外延材料覆盖，选区外延条形可直接化学腐蚀去除。

第二次外延后，通过化学腐蚀只去除步骤2中所制作的材料为SiO₂或Si₃N₄的SAG图形。

步骤4、制作DFB光栅。通过常规光刻技术制作出只露出DFB-SAG区6的SiO₂掩膜。再用全息曝光技术在DFB-SAG区6的上限制层18上制作光栅。做完光栅后去除SiO₂掩膜。

步骤5、第三次外延。

图4示出了本发明中第三次外延的结构示意图。如图4所示，在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备中，外延InP盖层19和铟镓砷磷电接触层20。曾有SAG图形的覆盖区域将在InP缓冲层15上生长，此外区域将在上限制层18上生长。

步骤6、刻脊。通过常规光刻技术，在所述DFB-SAG区6、PD-SAG区7、SOA-SAG区上光刻出脊条形，采用湿法化学腐蚀或干法刻蚀方法将脊条形以外区域的电接触层20和盖层19去除。

图5示出了本发明中制作粗化的脊条形的图形。如图5所示，脊条形21包括EML脊和SOA-PD脊。EML脊为1微米到10微米(优选3微米)宽直条型，与DFB-SAG图形3的条形方向平行，并穿过DFB-SAG区6，从入射端解理端面位置11延伸至出射端解理端面位置14。EML脊从功能上可分为三部分：完全处于DFB-SAG区6内的部分为DFB脊23；从DFB-SAG区6边缘向出射端解理端面14方向延伸的一段10微米至100微米长(优选50微米)的部分EML脊为A无源波导24，剩下的部分EML脊为EAM脊25。

SOA-PD脊包括沿X方向按顺序相连的PD-A脊26、B无源波导37、PD-B脊38、C无源波导27、直条型SOA脊29和弧形SOA脊30，i其平行于EML脊。其中直条型SOA脊29和弧形SOA脊30组成SOA脊。弧形SOA脊30为曲率半径与弧形SOA-SAG条形13相同的弧形脊。直条型SOA脊29和弧形SOA脊30连接处在X方向上的位置，与弧形SOA-SAG条形13和直条型SOA-SAG条形12的连接处在X方向上的位置相同。SOA脊处于SOA-SAG区8之内。PD-A脊26、B无源波导37、PD-B脊38位于PD-SAG区7之内。C无源波导27位于SOA-SAG区8与PD-SAG区7之间。PD-A脊26、B无源波导37、PD-B脊38宽度相同，与SOA脊宽度可不同，宽度范围皆为恒定的1微米到10微米(优选5微米)。C无源波导27从与PD-B脊38相连的一端到与SOA脊相连的一端，宽度从PD-B脊38宽度到SOA脊宽度线性渐变。PD-A脊长度与PD-B脊长度相同，为10微米到100微米(优选5微米)。B无源波导37长度为10微米到150微米(优选100微米)。

步骤7、电隔离。光刻制作SiO₂或光刻胶电隔离掩膜图形，厚度为50纳米到500纳米。该图形覆盖除了A无源波导24、B无源波导37和C无源波导27区域的整个器件面积。湿法腐蚀去除A无源波导24、B无源波导37和C无源波导27上的电接触层20。并通过He离子注入，使A无源波导24、B无源波导37和C无源波导27上的InP盖层19电阻变高，对相邻器件产生电隔离效果。完成注入后去除电隔离掩膜图形。

步骤8、SiO2绝缘及开电极窗口。通过热生长或等离子增强气象淀积(PECVD)在整个器件正面生长SiO₂绝缘层47，厚度为100纳米到2微米(优选400纳米)。通过光刻、湿法腐蚀掉DFB脊23、EAM脊25、PD-A脊26、PD-B脊38、SOA脊上的SiO₂绝缘层，露出这些脊的电接触层20。

步骤9、制作聚酰亚胺。通过光刻工艺制作厚度为100纳米到5微米(优选为1微米)的聚酰亚胺图形39。

参照图5，该聚酰亚胺图形39紧贴EAM脊25、PD-A脊26、PD-B脊38的边缘，并向各脊两侧延伸100平方微米至5万平方微米面积(优选为3万平方微米)，形状可任意，优选为矩形。聚酰亚胺图形39有减小PD、EAM电极板寄生电容的作用。

步骤10、制作正面电极。通过磁控溅射在整个器件正面溅射金属薄膜，厚度为100纳米到1微米(优选为400纳米)。再并通过光刻与腐蚀将金属薄膜制作成正面电极图形。

图6示出了本发明中制作的正面电极的图形。参照图6，正面电极图形包括DFB电极图形41、SOA电极图形42、EAM电极图形43、PD-A电极图形44、PD-B电极图形45。

其中DFB电极图形41、SOA电极图形42分别覆盖DFB脊23、SOA脊，形状可任意，优选为矩形。面积为100平方微米至5万平方微米面积，优选为3万平方微米。EAM电极图形43、PD-A电极图形44和PD-B电极图形45分别覆盖EAM脊25、PD-A脊26、PD-B脊38。面积为100平方微米至5万平方微米面积，优选为1000平方微米。形状可任意，但EAM电极图形43、PD-A电极图形44和PD-B电极图形45在覆盖在脊以外的部分必须落在聚酰亚胺图形39上。

步骤11、减薄及制作背面电极。将InP衬底1减薄至50微米至200微米。在整个芯片背面蒸镀背面金属46，厚度为100纳米到5微米，并通过退火形成欧姆接触。

步骤12、解理与镀膜。将芯片按上边界34、下边界35、入射端解理端面位置11，出射端解理端面位置14解理成条形器件。在器件的出射端解理端面位置14和入射端解理端面位置11镀抗反射薄膜，完成器件制作。

综上所述，本发明通过选区外延方法可制作出单片集成的波长转换器管芯，通过改变SAG图形2的条宽与SAG区6宽度尺寸可实现优化设计个子器件的材料增益峰，优化整体器件性能的目的。配合简单的外接电路，可实现应用于光通信的波长转换功能。

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，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

1.一种选区外延单片集成的波长转换器件，其包括：

2.如权利要求1所述的波长转换器件，其特征在于，其还包括：测试用光探测器PD-TEST，其与所述PD由一段波导相连，用于测试分析所述PD的器件特性。

3.如权利要求1所述的波长转换器件，其特征在于，所述SOA的入光端面与EAM的出光端面分别位于所述波长转换器件管芯的入光端解理端面和出光端解理端面，且所述SOA具有一段直条型脊和一段弧形脊组成的脊波导，而DFB激光器、EAM和PD具有直条型脊波导，且所有直条型脊波导均垂直于所述波导转换器件的出光端解理面。

4.如权利要求3所述的波长转换器件，其特征在于，所述SOA的弧形脊曲率半径为1000微米至5000微米，且在出光端解理面处的切线与出光端解理面法线夹角为3°至15°。

5.如权利要求3所述的波长转换器件，其特征在于，所有子器件脊波导的脊宽为1微米到10微米；PD与SOA之间连接的波导脊宽线性渐变，且其波导长为10到100微米；PD长度为10到100微米，DFB激光器、SOA、EAM长度为50到1000微米。

6.一种选区外延单片集成的波长转换器件制备方法，其包括：

步骤4、外延生长盖层和电极接触层；

步骤8、制作背面电极，并完成整个波长转换器件的制作。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分布反馈DFB激光器区图形、光探测器PD区图形和光放大器SOA区图形均由一对平行的宽度恒定且相等的条形选取外延生长图形和一对三角形选取外延生长图形过渡区组成，且该对平行的条形选取外延生长图形沿条形方向的起始位置和终止位置一致。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，组成所述光放大器SOA区图形的一对平行条形外延生长图形由一对三角形选取外延生长图形过渡区、一对直条型外延生长图形和一对弧形条形外延生长图形顺序相连形成；所述分布反馈DFB激光器区图形和光探测器PD区图形由一对三角形选取外延生长图形过渡区和一对直条型外延生长图形顺序相连形成。

9.如权利要求7-8任一项所述的方法，其特征在于，所述一对平行条形外延生长图形相夹的区域即为所限定的分布反馈DFB激光器区、光探测器PD区和光放大器SOA区。

10.如权利要求7-8任一项所述的方法，其特征在于，所述条形选取外延生长图形的介质掩膜图形材料为SiO2或Si3N4，厚度为50至500纳米，其条宽为5微米至30微米，条间间距为10微米至30微米；所述三角形选取外延生长图形过渡区长度为5微米至20微米；且构成所述分布反馈DFB激光器区图形、光探测器PD区图形和光放大器SOA区图形的条形选取外延生长图形的条宽与条间间距尺寸各不相同。

11.如权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述下限制层、多量子阱层和上限制层为铟镓砷磷材料，其增益峰值波长在1.2至1.6微米波段。

12.如权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，与其他区域相比，所述分布反馈DFB激光器区、光探测器PD区和光放大器SOA区的材料的增益峰值波长偏长30nm至80nm。