CN108040505B - 半导体光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体光学装置(100)，所述半导体光学装置(100)包括限定第一模式尺寸的第一波导区域(101)和限定小于所述第一模式尺寸的第二模式尺寸的第二有源波导区域。所述第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域(101)，所述第二有源波导区域包括多量子阱底层(103)和位于所述多量子阱底层103)上方的多量子阱上层(105)。所述多量子阱底层(103)通过间隔层(107)与所述多量子阱上层(105)物理分离。所述多量子阱上层(105)包括模式变换区域(105a)，所述模式变换区域(105a)用于将光学模式的尺寸从所述第一模式尺寸减小到所述第二模式尺寸。在实现形式中，所述第一波导区域(101)为包括另一多量子阱层的第一波导有源区域，由所述另一多量子阱层限定的所述模式指数基本上等于由所述多量子阱底层(103)限定的所述模式指数。

Description

半导体光学装置
技术领域
本发明涉及一种半导体光学装置。具体地，本发明涉及一种用于马赫增德尔调制器的半导体光学装置。
背景技术
近年来，针对RF信号而调制光的光学调制器已成为配置光纤通信网络中的重要组件之一。具体地，使用波导型光学干涉仪的马赫增德尔干涉仪型光学调制器(或简称为“马赫增德尔调制器(Mach Zehnder modulator，MZM)”)能够实现40Gbps或更高的高速调制。然而，随着光通信网络中的比特率增加，马赫增德尔调制器等光电网络组件中的光损耗成了一个更重要的问题。为了克服这个问题，已尝试将半导体光学放大器(semiconductoroptical amplifier，SOA)、固定波长激光器、可调谐激光器和其它有源部分集成到MZM设备中。
为了最小化设备长度并最大化MZM中的相位调制(phase modulating，PM)芯的速度、多量子阱(multiple quantum well，MQW)芯通常需要大量的量子阱，例如20至30或更多。这导致一种非常严格限制的光学模式，这种光学模式反过来产生非常大的角发散(其中远场的典型FWHM大于50度)。这种大的角发散和小模式尺寸导致MZM和光纤之间的耦合效率非常差又导致对准公差非常紧密。
为了克服这个问题，许多传统设备在MZM的输入和输出面上并入波导模式变换器。波导模式变换器通常通过选择性区域外延来实现，以将无源波导模式变换器对接耦合到MZM芯，因为选择性区域外延允许再生长材料的厚度和带隙两者通过使用图案氧化掩膜随着长度的函数变化而变化。然而，这样的附加生长步骤增加了制造的复杂性并且可能使设备的产量降低，从而导致设备成本增加。
此外，MZM芯的严格限制的光学模式也不能很好地匹配于其它有源光学元件所需的光学模式，其它有源光学元件包括需要与MZM单片集成的SOA和激光器增益区域。典型的SOA或激光器增益区域需要约3至6个量子阱并在较MZM相位调制芯的约70％低得多的20至30％之间的光限制因子下操作。
为了克服最佳设计中的这种差异，通常在设备的SOA或激光器有源和相位调制区域之间需要模式变换器或扩展器，以便在没有引入过多损耗和/或反射的情况下修改模式尺寸。此外，这通常使用选择性区域外延进行。
由于包括SOA和/或激光器增益区域已经需要使用附加的再生长阶段来生长增益区域，所以增加又一个步骤以再次添加模式变换器有可能降低产量。
因此，需要一种改进型半导体光学装置，尤其是一种能够简化在马赫增德尔调制器(Mach Zehnder Modulator，MZM)的面处的模式扩展及简化MZM芯与正向偏置有源部分(例如半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)或半导体激光器)的集成的改进型半导体光学装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进型半导体光学装置，尤其是提供一种能够尤其简化在马赫增德尔调制器(Mach Zehnder Modulator，MZM)的面处的模式扩展及尤其简化MZM芯与正向偏置有源部分(例如半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)或半导体激光器)的集成的改进型半导体光学装置，也提供一种制造这种改进型半导体光学装置的方法。
该目的由独立权利要求的主题来实现。其它实施方式在从属权利要求、描述内容和附图中提供。
根据第一方面，本发明涉及一种半导体光学装置，其中所述半导体光学装置包括限定第一模式尺寸的第一波导区域和限定小于所述第一模式尺寸的第二模式尺寸的第二有源波导区域。所述第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域，所述第二有源波导区域包括多量子阱底层和位于所述多量子阱底层上方的多量子阱上层。所述多量子阱底层通过间隔层与所述多量子阱上层物理分离。所述多量子阱上层包括模式变换区域，所述模式变化区域用于将光学模式的尺寸从所述第一模式尺寸减小到所述第二模式尺寸。
根据本发明的所述第一方面，在所述半导体光学装置的第一可能实现形式中，所述第一波导区域为包括另一多量子阱层的第一波导有源区域，其中由所述另一多量子阱层限定的模式指数基本上等于由所述第二波导区域的所述多量子阱底层限定的模式指数。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第二可能实现形式中，所述模式变换区域包括在远离所述第二有源波导区域的开始处增加宽度的锥形宽度区域，其中所述第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一或第二可能实现形式，在所述半导体光学装置的第三可能实现形式中，所述间隔层的厚度小于约0.25μm，尤其是小于约0.1μm。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第三任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第四可能实现形式中，所述间隔层包括未掺杂的磷化铟或浓度小于1016cm-3的低掺杂的磷化铟。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第四任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第五可能实现形式中，由所述第一波导区域限定的所述光限制因子为约0.2至0.3。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第五任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第六可能实现形式中，由所述第二有源波导区域限定的所述光限制因子为约0.47或更高。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第六任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第七可能实现形式中，所述第一波导区域对接耦合到所述第二有源波导区域的所述多量子阱底层。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第七任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第八可能实现形式中，所述半导体光学装置包括提供所述第一有源波导区域的半导体光学放大器或半导体光学激光器。
根据如上所述本发明的所述第一方面的所述第八可能实现形式，在所述半导体光学装置的第九可能实现形式中，所述半导体光学激光器为脊形波导激光器或直埋异质结构激光器。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第九任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第十可能实现形式中，所述第一波导区域和所述第二有源波导区域单片集成在共衬底上。
根据如上所述本发明的所述第一方面或其所述第一至第十任一可能实现形式，在所述半导体光学装置的第十一可能实现形式中，所述半导体光学装置还包括用于将所述第一波导区域光学耦合到所述第二有源波导区域的模式变换器。
根据第二方面，本发明涉及一种包括输入臂和至少一个输出臂的马赫增德尔调制器，其中所述输入臂和/或所述输出臂包括根据如上所述本发明的所述第一方面或其任一实现形式的半导体光学装置。
根据本发明的所述第二方面，在所述马赫增德尔调制器的实现形式中，所述马赫增德尔调制器用于作为光通信网络中的开关来操作。
根据第三方面，本发明涉及一种制造半导体光学装置的方法，其中所述方法包括以下步骤：在衬底上生长第一波导区域并用包层覆盖所述第一波导区域，其中所述第一波导区域限定第一模式尺寸；在所述衬底上生长多量子阱底层；在所述多量子阱底层上生长间隔层；在所述间隔层上生长多量子阱上层，其中所述多量子阱上层和所述多量子阱底层限定光学耦合到所述第一波导区域的第二有源波导区域，所述第二有源波导区域限定小于所述第一模式尺寸的第二模式尺寸；以及将模式变换区域蚀刻到所述多量子阱上层中，所述模式变换区用于将光学模式的所述尺寸从所述第一模式尺寸减小到所述第二模式尺寸。
根据本发明的所述第三方面，在所述方法的实现形式中，将模式变换区域蚀刻到所述多量子阱上层中的所述步骤包括以下步骤：将在远离所述第二有源波导区域的开始处增加宽度的锥形宽度区域蚀刻到所述多量子阱上层中，其中所述第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域。
根据本发明的所述第三方面，在所述方法的实现形式中，在衬底上生长第一波导区域并用包层覆盖所述第一波导区域的所述步骤包括以下附加步骤：将所述第一波导区域图案化，蚀刻掉所述图案化的第一波导区域的部分，以及在已移除所述第一波导区域的位置中选择性地生长另一多量子阱层。
根据本发明的所述第三方面，在所述方法的实现形式中，所述方法包括进一步的步骤：在扩散到需要电流注入或电压调谐的部分的所述多量子阱层及Zn上生长未掺杂的InP和InGaAs层。
附图说明
本发明的具体实施方式将结合以下附图进行描述，其中：
图1a示出了制造阶段期间根据一实施例的半导体光学装置的示意俯视图；
图1b示出了图1a的半导体光学装置的示意截面视图；
图2a示出了根据一实施例的半导体光学装置的示意截面视图；
图2b示出了制造阶段期间的图2a所示的半导体光学装置的示意俯视图及示意截面视图；
图2c示出了另一制造阶段期间的图2a所示的半导体光学装置的示意俯视图及示意截面视图；
图3示出了另一制造阶段期间根据一实施例在的半导体光学装置的示意截面视图；
图4示出了根据一实施例的图示半导体光学装置的间隔层的厚度和限制因子之间的关系的图；以及
图5示出了根据一实施例的包括半导体光学装置的马赫增德尔调制器的示意俯视图。
具体实施方式
以下结合附图进行详细描述，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。可以理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面，并可以做出结构上或逻辑上的改变。因此，以下详细的描述并不当作限定，本发明的范围由所附权利要求书界定。
应当理解，关于所描述方法的公开还可以适用于执行所述方法的对应设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了具体的方法步骤，对应的设备可包括执行所描述的方法步骤的单元，即使该单元没有在图中明确描述或图示。此外，应当理解，本文中所描述的各种示例性方面的特征可相互组合，除非另有特殊说明。
本文所述的设备和方法可以实施用于生产集成光芯片。所描述的设备和系统可包括集成电路以及可根据各种技术制造。例如，所述电路可包括逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光电路和/或存储器电路。
在下面的描述中，描述了使用光波导的设备和方法。光波导是一种在光谱中引导电磁波的物理结构。常见类型的光波导包括光纤和矩形波导。光波导可以根据它们的几何形状分类为平面波导、条形波导或光纤波导等，根据模式结构分类为单模或多模波导，根据折射率分布分类为阶跃或梯度折射率分布波导等，以及根据材料分类为玻璃波导、聚合物波导，或半导体波导等。
图1a示出了制造阶段期间根据一实施例的半导体光学装置100的示意俯视图。在图1b中示出了制造阶段期间根据一实施例的半导体光学装置100的示意截面视图。
在一项实施例中，半导体光学装置100可包括衬底，所述衬底包括第一衬底层115和第二衬底层113。在一项实施例中，第一衬底层115可包括半绝缘InP，第二衬底层113通常称为缓冲层，可包括掺氮的InP。
半导体光学装置100包括第一波导区域101。在一项实施例中，第一波导区域101以层的形式布置在第二衬底层113的一部分的顶部上。第一波导区域101用于引导光辐射。在一项实施例中，第一包层111可布置在第一波导区域101的顶部。在一项实施例中，第一包层111可包括掺磷的InP。
此外，半导体光学装置100包括第二波导区域，第二波导区域是有源波导区域，在本文称为第二有源波导区域。第二有源波导区域包括多量子阱底层103和位于多量子阱底层103上方的多量子阱上层105，并且光学耦合到第一波导区域101。在一项实施例中，非掺杂InP的层117可布置在多量子阱上层105的顶部。在一项实施例中，第二包层119可布置在层117的顶部。在一项实施例中，第二包层119可以由与第一包层111的材料相同的材料，尤其是掺磷的InP，构成。
在一项实施例中，第一波导区域101对接耦合到第二有源区域的多量子阱底层103。在可替代实施例中，半导体光学装置100还包括模式变换器，该模式变换器用于将第一有源区域101光学耦合到第二有源波导区域。
多量子阱底层103通过间隔层107与多量子阱上层105物理分离。在一项实施例中，间隔层107可包括未掺杂的磷化铟(indium phosphide，InP)或浓度小于1016cm-3的低掺杂的磷化铟。在一项实施例中，间隔层107在垂直方向上的厚度(即，多量子阱底层103和多量子阱上层105之间的距离)小于约0.25μm，尤其是小于约0.1μm。
多量子阱上层105包括模式变换区域105a，模式变换区域105a用于将光学模式的尺寸从由第一波导区域101限定的第一模式尺寸减小到由第二有源波导区域限定的第二模式尺寸。在一项实施例中，模式变换区域105a由在远离第二有源波导区域开始处增加宽度的锥形宽度区域105a限定，其中第二有源波导区域光学耦合到第一波导区域101，如可从图1a中所示的俯视图看到。在图1a和1b所示的实施例中，多量子阱底层103直接耦合到第一波导区域101，多量子阱上层105通过第一波导区域101与多量子阱上层105的锥形宽度区域105a的末端之间的区域与第一波导区域101分离。
图2a、2b和2c示出了图1a和1b所示的半导体光学装置100的实施例，半导体光学装置100已使用另外的外延和扩散步骤进行处理。除了图1a和1b所示的半导体光学装置100的实施例的元件之外，图2a、2b和2c中所示的半导体光学装置100的实施例包括Zn扩散区域221a和221b、隔离和模式扩展区域223及触点225a和225b。
图2a是根据一实施例的半导体光学装置100在完成所有外延步骤和扩散之后的侧视图，并沿着图2b所示的平面图的中心线取下。图2b的顶部图像示出了脊形波导芯如何对准到Zn扩散区域221a和221b以及锥形多量子阱上层105。图2b底部的横截面示出了在限定脊形波导的第一蚀刻步骤之后的脊形波导的结构。图2b左侧的横截面示出了第一波导区域101中的脊形波导的结构(如本领域技术人员将理解，停止蚀刻层可设置在第一有源波导区域101之上，使得蚀刻停止在第一有源波导区域101正上方)，图2b中间的横截面示出了在锥形开始附近的第二有源波导区域中的脊形波导的结构，即模式变换区域105a，其中多量子阱上层105比脊形波导窄，图2b右侧的横截面示出了模式变换区域105a之后的脊形波导的结构。
如上文在图1a和1b的上下文中已经描述，第一波导区域101用于沿着第一波导区域101引导具有第一模式尺寸的光辐射。第一波导区域101为沿第一波导区域101引导的光辐射限定第一模式尺寸。第一模式尺寸主要由第一波导区域101限定。在一项实施例中，第一模式尺寸可由第一包层111、第二衬底层113和/或Zn扩散区域221a附加限定。
包括多量子阱底层103和多量子阱上层105的第二有源波导区域限定用于沿着第二有源波导区域引导的光辐射的第二模式尺寸，其中第二模式尺寸小于由第一波导区域101限定的第一模式尺寸。
如上文在图1a和1b的上下文中已经描述，多量子阱上层105包括模式变换区域105a。模式变换区域105a用于将光学模式的尺寸从由第一波导区域101限定的第一模式尺寸减小到由第二有源波导区域限定的第二模式尺寸。在一项实施例中，模式变换区域105a由在远离第二有源波导区域开始处增加宽度的锥形宽度区域105a，即第二有源波导区域与第一波导区域101交界的区域，限定。
在一项实施例中，半导体光学装置100的第一波导区域101也用于作为包括另一多量子阱层的有源波导区域(在本文称为第一波导有源区域101)，其中由所述另一多量子阱层限定的模式指数基本上等于由所述多量子阱底层103限定的模式指数。
在一项实施例中，第一有源波导区域101用于放大沿第一有源波导区域101引导的光辐射。在一项实施例中，半导体光学装置100包括限定第一有源波导区域101的半导体光学放大器或半导体光学激光器。在一项实施例中，半导体光学激光器为脊形波导激光器或直埋异质结构激光器。
对于图2a至图2c所示的要在马赫增德尔调制器(Mach Zehnder modulator，MZM)中实施的半导体光学装置100，通常需要比图2b所示更深的蚀刻，使得穿过第二有源波导区域，如图2c所示。因此，在一项实施例中，在图2c中以另一氧化掩膜227的形式提供附加掩膜步骤，以保护SOA/激光器区域，同时允许在MZM区域中更深地蚀刻脊。
如本领域技术人员已知，当然可能在图2a-c所示的步骤之后需要进一步的附加掩膜和处理步骤以实现MZM或集成的SOA/MZM，但是这些在使用现有方法制造的设备中较常见。这些包括具有在区域中的脊的上方打开的窗户的钝化层，在所述区域中，需要电接触用于电流注入向第二有源波导区域中的核心层施加反向电压。还需要处理沉积和图案化在其上方提供所述电流或电压所需的金属层。
图3示出了另一制造阶段期间的图1a和1b及图2a至2c的半导体光学装置100的示意横截面视图，另一制造阶段期间在以半导体光学装置100的多量子阱上层105的锥形宽度区域105a的形式制造模式变换区域之前。
根据本发明的半导体光学装置100可通过包括以下步骤的方法制造：第一步骤：在衬底113、115上生长第一波导区域101并用第一包层111覆盖所述第一波导区域101的，其中所述第一波导区域101限定第一模式尺寸；第二步骤：在衬底113、115上生长多量子阱底层103；第三步骤：在多量子阱底层103上生长间隔层107；第四步骤：在间隔层107上生长多量子阱上层105，其中多量子阱上层105和多量子阱底层103限定光学耦合到第一波导区域101的第二有源波导区域，第二有源波导区域限定小于由第一波导区域101限定的第一模式尺寸的第二模式尺寸；第五步骤：将模式变换区域105a蚀刻到多量子阱上层107中，其中模式变换区域105a用于将光学模式的尺寸从第一模式尺寸减小到第二模式尺寸。
在一项实施例中，将模式变换区域105a蚀刻到多量子阱上层105中的第五步骤包括以下步骤：将在远离第二有源波导区域的开始处增加宽度的锥形宽度区域105a蚀刻到多量子阱上层105中，其中第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域101。
在一项实施例中，在衬底113、115上生长第一波导区域101并用第一包层111覆盖第一波导区域101的第一步骤包括附加步骤：图案化第一波导区域101和/或第一包层111，蚀刻掉图案化的第一波导区域101和/或第一包层111的部分，并在已移出第一波导区域101和/或第一包层111的位置选择性地生长另一个多量子阱层(本领域技术人员已知的作为对接耦合生长或选择性区域外延的工艺)。
在一项实施例中，所述方法包括进一步的步骤：在扩散到需要电流注入或电压调谐的部分的所述多量子阱层及Zn上生长未掺杂的InP和InGaAs层。
图4示出了图示间隔层107的厚度与由先前图中所示的半导体光学装置100的第二有源波导区域限定的限制因子(confinement factor，CF)之间的关系的图。图4基于具有第二有源波导区域的模式，该第二有源波导区域20个阱，划分为10个阱的多量子阱底层103和10个阱的多量子阱上层105，这些层之间的InP间隔层107的厚度具体为0.2μm。
从图4可以看出，由用于示例性光学模式的第二有源波导区域限定的限制因子(confinement factor，CF)随InP间隔层107的厚度变化而变化巨大，尤其是随着间隔层107的较小厚度的增加而变化巨大。在一项实施例中，由第二有源波导区域限定的光限制因子为约0.47或更高。在一项实施例中，由第一波导区域101限定的光限制因子为约0.2至0.3。在该模式中，多量子阱底层103的宽度从2.3μm逐渐减小到1.4μm，而多量子阱上层105的宽度从0.3μm逐渐增加到1.4μm。也可以采用更适合于不同PM和SOA或激光器设计的其它分割比。
图5示出了马赫增德尔调制器(Mach Zehnder modulator，MZM)500的示意俯视平面图，马赫增德尔调制器500包括根据一实施例的半导体光学装置，例如，图2a至2c中所示的半导体光学装置100。
MZM 500包括左手侧的两个输入臂和右手侧的两个输出臂。图5中的MZM 500的左手下侧的输入臂包括根据一实施例的半导体光学装置，例如，图2a至2c中所示的半导体光学装置100。在一项实施例中，MZM 500用于作为光通信网络中的开关来操作。
在一项实施例中，MZM 500还包括以下元件：MMI耦合器505和513、使波导进入和离开MMI耦合器505和513的弯波导504a、504b、507a、507b、512a、512b、515a和515b，相位调整器509a和509b以及用于高速RF操作的RF相位调制器511a和511b，这些元件将在下面进一步更详细地描述。
在一项实施例中，图5中的MZM 500的左手上侧的输入臂可包括光学元件501a，光学元件501a基本上是图2a至2c所示的半导体光学装置100的一半，即图2a至2c所示的定义第二有源波导区域的半导体光学装置100的一半，第二有源波导区域包括由间隔层107分隔的多量子阱底层103和多量子阱上层105。在可替代实施例中，图5中的MZM 500的左手上侧的输入臂可包括根据一实施例的半导体光学装置，例如，图2a至2c所示的半导体光学装置100。类似地，图5中的MZM 500的右手上侧和右手下侧的输出臂可包括光学元件501b和501c，光学元件501b和501c基本上是图2a至2c所示的半导体光学装置100的一半，即图2a至2c中所示的定义第二有源波导区域的半导体光学装置100的一半，第二有源波导区域包括由间隔层107分隔的多量子阱底层103和多量子阱上层105。在可替代实施例中，图5中的MZM500的右手上侧和右手下侧的输出臂可包括根据一实施例的半导体光学装置，例如，图2a至2c所示的半导体光学装置100。
MZM 500的部分A和B，覆盖MZM 500大部分长度，包括具有多量子阱层103和105的完全再生长MZM芯。由于有必要最小化构成调制光的MZM 500的部分的RF相位调制器511a和511b的长度，设备的大部分通常需要高光学限制。这种高限制结构的优点包括：允许弯波导504a、504b、507a、507b、512a、512b、515a和515b较短，以及最小化MZM 500的总长度，例如，实施MZM 500的芯片的长度。通常，波导的光学限制越高，在光被散射出之前可使用的弯曲半径就越紧。显然，更紧的弯曲占用更少的空间，这减小了芯片尺寸和降低了成本。由于所有波导也具有低背景光学损耗，减小长度也减少了这种背景损耗。
在图5中，多模干涉(multimode interference，MMI)耦合器505和513示为2×2耦合器(即在每端有2个波导)，但是可以设计为任一端具有1个到多个等任何合理数量的光学端口。
DC相位调整器509a和509b可用于使用电压、正向电流或片上加热器进行相位调整(如果使用加热器，则该部分不需要Zn扩散区域)。如本领域技术人员已知，通常设置相位调整器509a和509b以补偿制造误差，从而导致MZM 500的两个臂具有不同长度。
沿着MZM 500的两个臂布置的RF相位调制器511a和511b用于通过将AC电压施加到MZM 500的一个或两个臂来以高速调制输出臂处的光的强度。
在一项实施例中，Zn扩散的InP和/或InGaAs触点可用于形成区域中的p触点，在所述区域中，跨MZM 500的芯施加电压，或将电流注入到芯中以调谐相位。
在一项实施例中，MZM 500的波导可以包括变化宽度的部分。这些宽度变化可发生在，例如被包围在图5中的虚线所示的椭圆中的区域中。类似或相同的宽度变化也可应用于MZM 500的其它输入臂和/或其它输出臂。在这样的实施例中，第一有源波导区域101和锥形区域，即模式变换区域105a前面的第二有源波导区域中的波导可以是约2.3μm宽。在第二有源波导区域中，多量子阱底层103可从模式变换区域105a的开始处的约2.3μm的宽度逐渐变窄为模式变换区域105a的末端处的约1.4μm的宽度，而多量子阱上层105可从限定模式变换区域105a的开始的约0至0.3μm之间的开始宽度逐渐变宽为限定模式变换区域105a的末端的约1.4μm。这些宽度变化是有益的，因为对于SOA部分，约2μm或稍宽的脊宽度通常实现最佳性能，而在高度限制的MZM芯中，这种宽度将导致波导支持不需要的高阶横模，因此将这种宽度逐渐减小到约1.4μm确保了不支持这种模式。
本发明实施例允许通过将相位调制多量子阱划分成由未掺杂的InP间隔层分开的两个层来克服现有技术的限制。在本发明实施例中，选择这种InP间隔层的尺寸以确保该InP间隔层对相位调制功能的性能带来的影响最小。这种方法的优点之一是多量子阱底层可以模式匹配到半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)或激光器的有源芯，即第一有源波导区域。然后，可通过邻近于SOA或激光器的蚀刻来移除多量子阱上层，然后被图案化以形成锥形，锥形可用于从SOA或激光器的中等模式尺寸模式变换到相位调制芯所需的非常小的高限制模式。由于SOA或激光器中的模式仍然适度地限制在远高于背景材料指数的模式指数，因此这种模式变换器可以做得较短，即可能为约100μm。
此外，使用划分的多量子阱和在多量子阱上层中的图案化锥形允许实现设备的PM和SOA或激光器部分之间的锥形，而不需要附加的再生长阶段。
本文描述的方法、系统和设备可实现为芯片或光子集成电路内的光电路或专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)。本发明可以在数字和/或模拟电子和光电路中实现。
尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实现方式或实施例中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利。而且，在一定程度上，术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形在详细的说明书或权利要求书中使用，这类术语和所述术语“包含”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性地”，“例如”仅表示为示例，而不是最好或最佳的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触。
尽管本文已图示和描述了具体方面，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替代和/或等效实施形式可以替代所示出和描述的具体方面。该申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变更。
尽管以下权利要求书中的各元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一定限于以所述特定顺序来实现。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明做出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种半导体光学装置(100)，其特征在于，包括：
第一波导区域(101)，限定第一模式尺寸；以及
第二有源波导区域(103，105)，限定小于所述第一模式尺寸的第二模式尺寸，其中所述第二有源波导区域(103，105)光学耦合到所述第一波导区域(101)，所述第二有源波导区域(103，105)包括多量子阱底层(103)和位于所述多量子阱底层(103)上方的多量子阱上层(105)，
其中所述多量子阱底层(103)通过间隔层(107)与所述多量子阱上层(105)物理分离；以及
所述多量子阱上层(105)包括：模式变换区域(105a)，用于将光学模式的尺寸从所述第一模式尺寸减小到所述第二模式尺寸。
2.根据权利要求1所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述第一波导区域(101)为包括另一多量子阱层的第一有源波导区域，由所述另一多量子阱层限定的模式指数基本上等于由所述多量子阱底层(103)限定的所述模式指数。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述多量子阱上层(105)的所述模式变换区域(105a)包括在远离所述第二有源波导区域(103，105)的开始处增加宽度的锥形宽度区域，所述第二有源波导区域(103，105)光学耦合到所述第一波导区域(101)。
4.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述间隔层(107)的厚度小于0.25μm。
5.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述间隔层(107)包括未掺杂的磷化铟或浓度小于1016cm-3的低掺杂的磷化铟。
6.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，由所述第一波导区域(101)限定的光限制因子为0.2至0.3。
7.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，由所述第二有源波导区域(103，105)限定的光限制因子为大于或等于0.47。
8.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述第一波导区域(101)对接耦合到所述第二有源波导区域(103，105)的所述多量子阱底层(103)。
9.根据权利要求2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述半导体光学装置(100)包括提供所述第一有源波导区域的半导体光学放大器或半导体光学激光器。
10.根据权利要求9所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述半导体光学激光器为脊形波导激光器或直埋异质结构激光器。
11.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述第一波导区域(101)和所述第二有源波导区域(103，105)单片集成在共衬底(113，115)上。
12.根据权利要求1或2所述的半导体光学装置(100)，其特征在于，所述半导体光学装置(100)还包括用于将所述第一波导区域(101)光学耦合到所述第二有源波导区域(103，105)的模式变换器。
13.一种马赫增德尔调制器(500)，其特征在于，包括输入臂和至少一个输出臂，其中所述输入臂和/或所述输出臂包括根据任一前述权利要求的半导体光学装置(100)。
14.一种制造半导体光学装置(100)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在衬底(113，115)上生长第一波导区域(101)并用包层(111)覆盖所述第一波导区域(101)，其中所述第一波导区域(101)限定第一模式尺寸；
在所述衬底(113，115)上生长多量子阱底层(103)；
在所述多量子阱底层(103)上生长间隔层(107)；
在所述间隔层(107)上生长多量子阱上层(105)，其中所述多量子阱上层(105)和所述多量子阱底层(103)限定光学耦合到所述第一波导区域(101)的第二有源波导区域，所述第二有源波导区域限定小于所述第一模式尺寸的第二模式尺寸；以及
将模式变换区域(105a)蚀刻到所述多量子阱上层(105)中，所述模式变换区域(105a)用于将光学模式的尺寸从所述第一模式尺寸减小到所述第二模式尺寸。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将模式变换区域(105a)蚀刻到所述多量子阱上层(105)中的所述步骤包括以下步骤：将在远离所述第二有源波导区域的开始处增加宽度的锥形宽度区域蚀刻到所述多量子阱上层中，其中所述第二有源波导区域光学耦合到所述第一波导区域(101)。
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