CN109256675A - 电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法。所述芯片包括：依次设置的输出波导区、EAM部分、隔离区和DFB部分；所述隔离区，用于隔离所述EAM部分和DFB部分，其下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，以使降低工作状态下所述隔离区中的光生载流子。本发明实施例的电吸收调制集成激光器芯片的隔离区的下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，这种结构能够降低工作状态下隔离区中的光生载流子，甚至使隔离区中没有光生载流子，能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

Description

电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光电器件领域，尤其涉及一种电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法。

背景技术

随着互联网对数据传输需求量的爆发式增长，导致光电模块需要不断降低其核心光电芯片的成本、减小其尺寸并且增加其传输输率。

在时分复用网络中，电吸收调制集成激光器(EML)芯片是一种好的选择，它具有尺寸小，成本低的优势。随着研究发展，高速EML芯片模块在2公里传输距离中，能够提供误码率为40ps/nm的数据。

在光通信网络中，光纤的色散限制了数据传输的距离，距离约与数据率的平方成反比，25G EML模块中啁啾参数是保证数据传输的质量的关键性指标。业界对啁啾参数的优化有两种方式，一种是对芯片中有源区量子阱的结构重新设计，各家的方式不一样。第二种是对EAM端加偏压减小啁啾参数，随着EAM端的偏压增加，芯片啁啾参数降低甚至变成负值，这种方式带来的负面影响是EML芯片输出的光功率也随着偏压的增大而减小。然而在实验中发现，当对EAM加大偏压时，对于采用对接(butt jointed)结构的25G EML芯片带宽在测量时在10Gbit/s的情况下会突然降低，影响光传输特性。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法。

第一方面，本发明实施例提供一种电吸收调制集成激光器芯片，包括：

依次设置的输出波导区、EAM部分、隔离区和DFB部分；

所述隔离区，用于隔离所述EAM部分和DFB部分，其下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，以使降低工作状态下所述隔离区中的光生载流子。

第二方面，本发明实施例提供一种激光器，包括本发明实施例第一方面所述的电吸收调制集成激光器芯片。

第三方面，本发明实施例提供一种第一方面所述的电吸收调制集成激光器芯片的制作方法，包括：

S1，在n型In-P基底上先生长一层DFB有源层；

S2，在所述DFB有源层上生长一层光栅层，利用电子束刻蚀技术制在所述光栅层制作光栅；

S3，利用干法刻蚀技术在所述光栅层的一端刻蚀出脊波导，以形成DFB部分；

S4，利用对接生长技术在所述DFB有源层和所述光栅层刻蚀后的另一端生长出EAM有源层，以形成EAM部分；

S5，在整个晶圆上生长一层p型In-P包层；

S6，利用干法刻蚀技术，从所述p型In-P包层开始，在和所述EAM有源层的两侧分别刻蚀输出波导区和隔离区，其中所述输出波导区位于所述EAM有源层外侧，所述隔离区位于所述EAM有源层与所述脊波导之间；

S7，利用对接技术在所述隔离区分别生长无源波导层和无掺杂In-P层。

本发明实施例提供的电吸收调制集成激光器芯片及其制作方法，电吸收调制集成激光器芯片的隔离区的下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，这种结构能够降低工作状态下隔离区中的光生载流子，甚至使隔离区中没有光生载流子，能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术EML芯片结构示意图；

图2为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的制作方法流程示意图；

图4为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第一示意图；

图5为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第二示意图；

图6为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第三示意图；

图7为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第四示意图；

图8为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第五示意图；

图9为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第六示意图；

图10本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的俯视示意图；

图11为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的脊波导的各剖面结构示意图；

图12为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片与现有技术电吸收调制集成激光器芯片在不同EAM偏压下的带宽对比示意图。

附图标记说明

1、DFB有源层， 2、光栅层，

3、EAM有源层， 4、p型In-P包层，

5、无源波导层， 6、无掺杂In-P层，

7、InGaAs有源接触层， 8、BCB层，

9、金属电极层， 0、n型In-P基底，

100、EAM部分， 200、DFB部分，

300、隔离区， 400、输出波导区，

301、无源波导层， 302、非掺杂InP层，

401、无源波导层， 402、非掺杂InP层，

500、MQW层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术EML芯片结构示意图,电吸收调制集成激光器EML芯片由两个部分组成，一部分是具有吸收层的EAM，另一部分是具有有源层的DFB，EAM部分和DFB部分由隔离区相连接。对接技术是EML芯片制造过程中常用的技术，其优点是能够分开优化DFB和EAM的量子阱结构，达到较好的光传输效率。隔离区的结构与EAM量子阱一样，结构如图1所示。

工作状态时，EML芯片中，EAM加反偏电压，DFB加正偏电压，因此在隔离区中产生了一个电压梯度，这个电压梯度导致光生载流子在隔离区中重新分布。关于光生载流子的逃逸时间有许多的研究，其中最广为人知的是偏压越小，光生载流子逃逸时间越长，典型时间为超过100ps。一般的，具有较长逃逸时间的光生载流子在芯片工作的某一特定的条件下会降低带宽，其具体影响的参数可能是，由于载流子的积累增加了电容并且降低了隔离电阻。

图2为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的结构示意图，如图2所示的电吸收调制集成激光器芯片，包括：

依次设置的输出波导区(由401和402组成)、EAM部分100、隔离区(由301和302组成)和DFB部分200；

所述隔离区，用于隔离所述EAM部分100和DFB部分200，其下层为无源波导层301，上层为非掺杂InP层302，以使降低工作状态下所述隔离区中的光生载流子。

请参考图2，本发明实施例的EML芯片还包括多量子阱MQW层500，位于EAM部分100的MQW称为EAM-MQW，位于DFB部分200的MQW称为DFB-MQW。

其中，输出波导区(由401和402组成)、EAM部分100、隔离区(由301和302组成)和DFB部分200位于MQW层上，在MQW层上依次连接而成。

由于具有较长逃逸时间的光生载流子在芯片工作的某一特定的条件下会降低带宽，其具体影响的参数可能是，由于载流子的积累增加了电容并且降低了隔离电阻。本发明实施例的电吸收调制集成激光器芯片的隔离区的下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，这种结构可以降低隔离区的导电效果，甚至使得隔离区不导电，从而消除了现有技术中隔离区的电光转化效应，因此本发明实施例能够降低工作状态下隔离区中的光生载流子，甚至使隔离区中没有光生载流子，能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

基于上述实施例，所述输出波导区的下层为无源波导层401，上层为非掺杂InP层402，以使所述电吸收调制集成激光器芯片便于解理和提高光耦合效率。

请参考图2，本发明实施例对输出波长区的结构进行了改进，输出波导区有下层无源波导层401和上层非掺杂InP层402组成；采用有源波导和无源波导的结合，能够有利于芯片的解理和提高光耦合效率。

具体的，所述输出波导区的长度范围为48～52um，所述EAM部分的长度范围为105～115um，所述隔离区的长度范围为48～52um，所述DFB部分的长度范围为315～325um。

优选的，所述输出波导区的长度为50um，所述EAM部分的长度为110um，所述隔离区的长度为50um，所述DFB部分的长度范围为320um。

本发明实施例的电吸收调制集成激光器芯片，采用无源波导加非掺杂的InP包层作为隔离区，能够降低工作状态下隔离区中的光生载流子，甚至使隔离区中没有光生载流子，能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

本发明实施例还提供一种激光器，包括本发明实施例及其任一实施例所述的电吸收调制集成激光器芯片。

需要说明的是，凡是包含本发明实施例的电吸收调制集成激光器芯片的设备均属于本发明实施例的保护范围。

图3为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的制作方法流程示意图，如图3所示的制作方法，包括：

S1，在n型In-P基底上先生长一层DFB有源层；

S2，在所述DFB有源层上生长一层光栅层，利用电子束刻蚀技术制在所述光栅层制作光栅；

S3，利用干法刻蚀技术在所述光栅层的一端刻蚀出脊波导，以形成DFB部分；

S4，利用对接生长技术在所述DFB有源层和所述光栅层刻蚀后的另一端生长出EAM有源层，以形成EAM部分；

S5，在整个晶圆上生长一层p型In-P包层；

S6，利用干法刻蚀技术，从所述p型In-P包层开始，在和所述EAM有源层的两侧分别刻蚀输出波导区和隔离区，其中所述输出波导区位于所述EAM有源层外侧，所述隔离区位于所述EAM有源层与所述脊波导之间；

S7，利用对接技术在所述隔离区分别生长无源波导层和无掺杂In-P层。

请参考图3，作为一个完整的芯片制作过程，所述制作方法还包括：

S8，在整个晶圆上生长一层InGaAs有源接触层；S9，利用湿法在所述InGaAs有源接触层上腐蚀出双沟，并在所述双沟中填入BCB以减小寄生电容；S10，在EAM部分和DFB部分分别制作金属电极层。

通过上述方法，制作的电吸收调制集成激光器芯片，其隔离区由无源波导层和无掺杂In-P层组成，能够降低工作状态下隔离区中的光生载流子，甚至使隔离区中没有光生载流子，能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

其中，S7还包括：利用对接技术分别在所述输出波导区400生长无源波导层和无掺杂In-P层。

因此，本发明实施例中，输出波导区也是无源波导层和无掺杂In-P层组成，能够有利于芯片的解理和提高光耦合效率。

具体的，所述脊波导的宽度范围为16～20um，长度范围为315～325um。优选的，所述脊波导的宽度为18um，长度为320um。

具体的，所述输出波导区的长度范围为48～52um，所述EAM部分的长度范围为105～115um，所述隔离区的长度范围为48～52um，所述DFB部分的长度范围为315～325um。优选的，所述输出波导区的长度为50um，所述EAM部分的长度为110um，所述隔离区的长度为50um，所述DFB部分的长度范围为320um。

图4为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第一示意图，图5为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第二示意图，图6为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第三示意图，图7为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第四示意图，图8为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第五示意图，图9为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的芯片制作过程第六示意图。本发明实施例的EML芯片的制作过程如下：

请参考图4，本发明实施例在n型In-P基底0上先生长一层DFB有源层1，在所述DFB有源层1上生长一层光栅层2；利用电子束刻蚀技术制在所述光栅层2制作光栅。

请参考图5，利用干法刻蚀技术在所述光栅层2的一端刻蚀出脊波导，以形成DFB部分100；利用对接生长技术在所述DFB有源层1和所述光栅层2刻蚀后的另一端生长出EAM有源层3，以形成EAM部分200；

请参考图6，在整个晶圆上生长一层p型In-P包层4。

请参考图7，利用干法刻蚀技术，从所述p型In-P包层4开始，在和所述EAM有源层3的两侧分别刻蚀输出波导区400和隔离区300，其中所述输出波导区400位于所述EAM有源层3外侧，所述隔离区300位于所述EAM有源层3与所述脊波导之间；

请参考图8，利用对接技术在所述隔离区300分别生长无源波导层5和无掺杂In-P层6；利用对接技术分别在所述输出波导区400生长无源波导层5和无掺杂In-P层6。

请参考图9，在整个晶圆上生长一层InGaAs有源接触层7。

图10本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的俯视示意图，请参考图10，利用湿法在所述InGaAs有源接触层7上腐蚀出双沟，并在所述双沟中填入BCB，形成BCB层8，以减小寄生电容；最后在EAM部分和DFB部分分别制作金属电极层9。

图11为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片的脊波导的各剖面结构示意图，图12为本发明实施例电吸收调制集成激光器芯片与现有技术电吸收调制集成激光器芯片在不同EAM偏压下的带宽对比示意图。

请参考图11，BCB材料能够有效降低EAM端的寄生电容。对芯片加电后测量不同EAM偏压下的带宽，并与以前结构的芯片进行对比，结果如图12所示。图12中可以看出，调制器EAM加较低偏压下，两种结构的EML芯片的带宽差别不大，带宽大小基本都在25G以上，当偏压Vb大于-1V时，两种结构的EML芯片的带宽就有明显的差别，老结构的EML芯片在光功率衰减到3dB时，带宽就已经衰减到10G，新结构的EML芯片则没有衰减。实验证明了，新结构的EML芯片能够解决高偏压下带宽衰减过快的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电吸收调制集成激光器芯片，其特征在于，包括：

依次设置的输出波导区、EAM部分、隔离区和DFB部分；

所述隔离区，用于隔离所述EAM部分和DFB部分，其下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，以使降低工作状态下所述隔离区中的光生载流子。

2.根据权利要求1所述的电吸收调制集成激光器芯片，其特征在于，所述输出波导区的下层为无源波导层，上层为非掺杂InP层，以使所述电吸收调制集成激光器芯片便于解理和提高光耦合效率。

3.根据权利要求1或2所述的电吸收调制集成激光器芯片，其特征在于，

所述输出波导区的长度范围为48～52um，所述EAM部分的长度范围为105～115um，所述隔离区的长度范围为48～52um，所述DFB部分的长度范围为315～325um。

4.根据权利要求3所述的电吸收调制集成激光器芯片，其特征在于，

所述输出波导区的长度为50um，所述EAM部分的长度为110um，所述隔离区的长度为50um，所述DFB部分的长度范围为320um。

5.一种激光器，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的电吸收调制集成激光器芯片。

6.权利要求1-4任一项所述的电吸收调制集成激光器芯片的制作方法，其特征在于，包括：

S1，在n型In-P基底上先生长一层DFB有源层；

S2，在所述DFB有源层上生长一层光栅层，利用电子束刻蚀技术制在所述光栅层制作光栅；

S3，利用干法刻蚀技术在所述光栅层的一端刻蚀出脊波导，以形成DFB部分；

S4，利用对接生长技术在所述DFB有源层和所述光栅层刻蚀后的另一端生长出EAM有源层，以形成EAM部分；

S5，在整个晶圆上生长一层p型In-P包层；

S6，利用干法刻蚀技术，从所述p型In-P包层开始，在和所述EAM有源层的两侧分别刻蚀输出波导区和隔离区，其中所述输出波导区位于所述EAM有源层外侧，所述隔离区位于所述EAM有源层与所述脊波导之间；

S7，利用对接技术在所述隔离区分别生长无源波导层和无掺杂In-P层。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述S7还包括：利用对接技术分别在所述输出波导区生长无源波导层和无掺杂In-P层。

8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述脊波导的宽度范围为16～20um，长度范围为315～325um。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述脊波导的宽度为18um，长度为320um。

10.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，

所述输出波导区的长度范围为48～52um，所述EAM部分的长度范围为105～115um，所述隔离区的长度范围为48～52um，所述DFB部分的长度范围为315～325um。