CN105514801A - 双沟宽脊型半导体光放大器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双沟宽脊型半导体光放大器，包括衬底以及生长其上的外延层，外延层上部包括n型波导层、n型波导层上部的有源区量子阱层、有源区量子阱层上部的p型包层和欧姆接触层，其中所述欧姆接触层部分区域垂直向下刻蚀至n型波导层中，形成双沟限制的脊型结构，所述双沟为两条互相平行的沟槽。脊型结构的宽度与所述脊型波导的厚度近似相等。本发明采用波导耦合的方式，用平面波导做滤波器，实现了大模式体积下的单模输出，提高了输出功率，同时也提高了耦合效率。

Description

双沟宽脊型半导体光放大器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种双沟宽脊型半导体光放大器及其制备方法。
背景技术
大功率半导体光放大器(SOAs)(如波长1.55μm)在自由空间光通信，眼安全激光测距和图像处理是必不可少的器件。尽管之前用到的瓦级光放大器都是固态放大器，比如光纤放大器(EDFAs)，但SOAs因为具有体积小、重量轻、波长灵活、增益带宽宽、光-电转换效率高、易于与其它半导体器件(如激光器、探测器，调制器)集成等特点，因此大输出功率超过1W的SOAs目前仍然是国际上研究的热点。
传统的脊型波导SOAs模式体积小、光限制因子大，因此输出功率受到限制(最大100mW)。通过楔形波导增加有源区的宽度可以增加饱和输出功率，但是这些楔形波导SOAs的光束不稳定，而且把输出光耦合到单模光纤需要复杂的光学系统。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种半导体光放大器，以克服输出功率不稳定等问题。
基于上述问题，本发明提出了一种双沟宽脊型半导体光放大器，包括衬底以及生长其上的外延层，外延层上部包括n型波导层、n型波导层上部的有源区量子阱层、有源区量子阱层上部的p型包层和欧姆接触层，其中，在所述欧姆接触层部分区域垂直向下刻蚀至n型波导层中，形成双沟限制的脊型结构，所述双沟为两条互相平行的沟槽。
根据本发明的一种具体实施方案，所述衬底为矩形衬底，所述沟槽在衬底上的投影为平行四边形且与所述矩形之间的倾角为1-10°。
根据本发明的一种具体实施方案，所述倾角为5°。
根据本发明的一种具体实施方案，所述脊型结构的宽度与所述脊型波导的厚度近似相等。
根据本发明的一种具体实施方案，所述所述n型波导层厚度为4μm以上。
根据本发明的一种具体实施方案，所述有源量子阱层的折射率大于所述n型波导层和p型包层的折射率。
根据本发明的一种具体实施方案，所述有源量子阱层由3-5个量子阱构成。
根据本发明的一种具体实施方案，所述n型波导层采用阶梯渐变n掺杂的GaInAsP材料制备。
根据本发明的一种具体实施方案，放大器使用的波长为1.55μm。
另外，本发明还提供一种以上任意一种所述光放大器与激光器、探测器或调制器的集成应用。
而且，本发明还提供一种双沟宽脊型半导体光放大器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上生长含波导层的多层外延层，制成外延片；
在上述外延片上光刻出倾角1-10°的双沟条形，将外延片腐蚀到波导层，形成脊形波导，使得脊型的宽度等于波导的厚度。
根据本发明的一种具体实施方案，上述制备方法中，为保持侧墙垂直于水平衬底，采用干法和湿法腐蚀相结合的方法制备脊型波导。
通过上述技术方案可知，本发明双沟宽脊型单模半导体光放大器有如下有益效果：
(1)本发明的波导采用双沟宽脊型结构，由于该结构采用波导耦合的方式，用平面波导做滤波器，实现了大模式体积下的单模输出，提高了输出功率，同时也提高了耦合效率；
(2)通过沟槽以及宽脊长度方向与衬底形成一定倾角，进一步提高单模输出效果，提高输出功率；
(3)通过将脊型波导的宽度与脊型的高度设定为近似相等，宽脊型波导产生的高阶模耦合到平面波导的连续模中，平面波导作为模式滤波器可滤除高阶空间模，产生大尺寸单模；
(4)通过设定n型波导层和P型包层的折射率略小于量子阱的折射率，模式将下移，发光中心在波导处，提高输出功率。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：
图1是本发明具体实施方式一的半导体光放大器结构的剖面图；
图2是本发明具体实施方式一的半导体光放大器结构的俯视图。
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。
在本发明中，技术术语“近似相等”是指脊型波导的宽度(w)与脊型的高度(h)数值差别在公差范围内，所述公差为±5％。
本发明提出的双沟宽脊型半导体光放大器，包括衬底以及生长其上的外延层，外延层上部包括n型波导层、n型波导层上部的有源区量子阱层、有源区量子阱层上部的p型包层和欧姆接触层，其中在所述欧姆接触层部分区域垂直向下刻蚀至n型波导层中，形成双沟限制的脊型结构，所述双沟为两条互相平行的沟槽。
对于衬底和外延层的选择，衬底可以为本领域常用的半导体材料，衬底之上的外延层包括但不限于缓冲层、波导层、量子阱层、电极层、电隔离层、缓冲层和p型包层。
衬底优选为矩形衬底，所述沟槽在衬底上的投影为平行四边形，优选与所述矩形之间的倾角为1-10°，更优选的是5°。
对于有源区量子阱层的选择，其为非故意掺杂阱，优选为2-10个量子阱构成，更优选的是3-5个量子阱。
对于脊型波导的宽度和厚度，优选所述脊型结构的宽度与所述脊型波导的厚度近似相等。用耦合模式分析脊型区域和平板区之间的关系，无源脊型波导的模式数不依赖于它的实际尺寸，而是依赖于刻蚀后平面波导的高度与脊型的高度比(～t/h)，以及与脊型的宽度比(～t/w)。其中脊型波导的宽度(w)与脊型的高度(h)近似相等，其中t、h、w的长度通过场在附近包层的衰减长度决定。平面波导t作为模式滤波器可滤除高阶空间模，因为宽脊型波导产生的高阶模耦合到平面波导的连续模中，然后，向侧向辐射能量，滤掉高阶空间模，产生大尺寸单模。
优选的，所述有源量子阱层的折射率大于所述n型波导层和p型包层的折射率；进一步优选的，n型波导层的折射率略小于量子阱的折射率，这样模式将下移，发光中心在波导处，而不是集中到有源区。
优选的，所述光放大器可以与其它半导体器件耦合(包括但不限于激光器、探测器，调制器)集成，可达到大输出功率的效果。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。
具体实施方式一：
请参阅图1所示，本发明提出的一种双沟宽脊型半导体光放大器(应波长1.55μm)，该结构包括：
一衬底12，该衬底为矩形，其材料为n-InP半导体材料；
-n电极11，该电极为大面积电极，该电极与衬底相连为Au-Ge-Ni金属材料：
-上层结构，该上层结构制作在衬底上，其上层结构包括：
一谐振腔，该谐振腔为腔面倾角5°的平行四边形；
一输出波导为脊型波导21，该脊型为双沟限制结构；
-p电极层19，该层在欧姆接触层17上；
-电隔离层18，在脊型波导的两侧；
-P型欧姆接触层17，该层生长在包层上，其掺杂浓度为1019cm-3；
-P型包层16，该层生长在有源区量子阱层上，该层采用阶梯渐变p掺杂的InP材料，其掺杂浓度从1017cm-3-1018cm-3；
-有源区量子阱层15，该层生长在N型波导层上；
-n型波导层14，该层生长在buffer层之上该层采用阶梯渐变n掺杂的GaInAsP材料，其掺杂浓度从1018cm-3-5x1016cm-3；
-缓冲层(buffer)13生长在衬底上。
其中脊型波导21输出的光为单模结构。
为了减小光内部损耗，其中n型波导层14的厚度大于P型包层16的厚度，波导层和包层选用不同的材料，波导层14的折射率大于包层16的折射率。
其中波导层14的折射率小于量子阱15的折射率。
其中有源区量子阱层15为非故意掺杂阱为压应变，垒位张应变，由4个量子阱构成；
其中，n型波导层14的折射率略小于量子阱的折射率；P型包层16的折射率小于量子阱的折射率。
半导体光放大器外延片生长采用以下步骤：用MOCVD方法，1、在n型InP衬底12上首先生长1-2μm的的InP缓冲层13，2、然后生长4-5μm的n型InGaAsP波导层14，3、然后再生长3-5个波长1.55μm的量子阱15，4、接着生长1-2μm的p型包层16，5、最后生长欧姆接触层18，完成外延片的生长。
器件制作具体工艺，用上述外延片，首先在上面生长300nm的掩膜材料(SiO2)，光刻出倾角5°的双沟条形，为保持侧墙垂直于水平衬底，采用干法和湿法辐射蚀相结合的方法将外延片腐蚀到波导层，深刻蚀2-3μm，腐蚀形成图1脊形波导，使得脊型的宽度等于波导的厚度，在掩模下重新生长800nm的电隔离层17(如SiO2)，在脊形波导上开电极窗口，然后生长金属Ti-Pt-Au电极材料19。
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 (10)

1.一种双沟宽脊型半导体光放大器，包括衬底以及生长其上的外延层，外延层上部包括n型波导层、n型波导层上部的有源区量子阱层、有源区量子阱层上部的p型包层和欧姆接触层，其特征在于：
在所述欧姆接触层部分区域垂直向下刻蚀至n型波导层中，形成双沟限制的脊型结构，所述双沟为两条互相平行的沟槽。
2.根据权利要求1所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，所述衬底为矩形衬底，所述沟槽在衬底上的投影为平行四边形且与所述矩形之间的倾角为1-10°。
3.根据权利要求2所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，所述倾角为5°。
4.根据权利要求1所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，所述脊型结构的宽度与所述脊型波导的厚度近似相等。
5.根据权利要求1所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，所述n型波导层厚度为4μm以上。
6.根据权利要求1所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，所述有源量子阱层的折射率大于所述n型波导层和p型包层的折射率。
7.根据权利要求1所述的双沟宽脊型半导体光放大器，其特征在于，光放大器使用的波长为1.55μm。
8.权利要求1-7任意一项所述光放大器与激光器、探测器或调制器的集成应用。
9.一种双沟宽脊型半导体光放大器的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上生长含波导层的多层外延层，制成外延片；
在上述外延片上光刻出倾角1-10°的双沟条形，将外延片腐蚀到波导层，形成脊形波导，使得脊型的宽度等于波导的厚度。
10.根据权利要求9所述的双沟宽脊型半导体光放大器的制备方法，其特征在于，为保持侧墙垂直于水平衬底，采用干法和湿法腐蚀相结合的方法制备脊型波导。
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