CN111542977A - 用于改善相位噪声的负偏置 - Google Patents

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Abstract

用于改善相位噪声的负偏置。一种操作包括光波导部分的光电器件的方法，所述光波导部分包括半导体芯，所述方法包括以下步骤：确定(401)针对所述波导部分的负偏置电压范围，对于该负偏置电压范围，对于所述器件的操作波长范围，所述芯的光损耗低于零偏置下的光损耗，选择(402)所述范围内的偏置电压，以及将所选择的偏置电压施加(403)到所述波导部分。

Description

用于改善相位噪声的负偏置
技术领域
本发明涉及半导体光波导。
背景技术
半导体波导被用于光电器件，例如激光器和光接收器。在许多应用中希望减少波导部分中的光损耗。此外，在半导体激光器中，希望使线宽最小化。光载波的线宽在相干通信系统中特别重要。导致线宽加宽的一个主要因素是调频(FM)噪声。FM噪声是由波导载波密度的波动引起的波形频率中的快速、短期、随机波动的频域表示。在分布式布拉格反射器(DBR)激光器的操作期间，由于电荷载流子流的统计变化和驱动信号中的电噪声，例如由于电磁干扰和/或散粒噪声，出现了通过激光器的部分的电驱动电流的变化。这种变化驱动波导载体密度的时间相关波动，这增加了输出光的线宽/FM噪声。另外，激光增益介质内光子的随机自发发射造成了附加的载流子密度波动和FM噪声，即洛伦兹线宽，其幅度强烈地依赖于腔波导的光损耗。
大多数半导体波导器件的带隙能量大于被引导的光子的带隙能量。这确保了大的带间吸收损耗被最小化。对于这种配置，主要的吸收机制然后变成自由载流子等离子体效应(FCPE)和价带间吸收(IVBA)。这两种机制都需要分别在导带和价带中的电子和空穴的数量，并且它们的强度与该数量大小成正比。由于直接带间吸收是不可能的，所以这些电荷载流子可以通过热激发、电流注入和通过低密度的局域化能态(所谓的Urbach尾部)的弱得多的带间吸收来产生。
这两种吸收机制的存在增加了激光腔往返光损耗，并因此增加了由于增益介质中的自发发射而引起的FM噪声的水平，因此，这两种过程的减少是非常令人感兴趣的。
在WO2016038333中已经提出了对该问题的解决方案，其涉及将可调谐激光器的无源波导部分接地。这涉及具有在接地电势处短路的p-i-n结构。接地的无源部分将费米能级钳制在其中，并使Urbach尾部产生的电荷载流子和从相邻部分泄漏的电荷载流子逃逸，从而使FCPE和IVBA引起的光吸收最小化，并减小激光腔的总线宽。图1是典型布置的示意图。图1示出了可调谐激光器100，其具有衬底101、下层102、引导层103和过生长层104。该激光器包括增益部分105、接地107的两个无源部分106、以及两个DBR部分108、109。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种操作包括光波导部分的光电器件的方法，该光波导部分包括半导体芯，该方法包括以下步骤：确定针对波导部分的负偏置电压范围，对于该负偏置电压范围，针对器件的操作波长范围，芯的光损耗低于零偏置时的光损耗；在该范围内选择偏置电压；以及将所选择的偏置电压施加到波导部分。
在一个实施例中，偏置电压对应于最小光损耗。
在一个实施例中，通过使用分段电极，所选择的偏置电压沿着波导部分的长度变化。
在一个实施方式中，光电器件是半导体激光器。
在一个实施例中，波导部分是半导体激光器的无源部分。
在一个实施例中，波导部分是光接收器的一部分，并且光接收器还包括至少一个光电检测器。
根据第二方面，提供了一种光波导部分，其包括位于掺杂半导体包层之间的本征半导体芯和用于在所述波导部分上提供负偏置电压的偏置装置。负偏置选自一电压范围，对于该电压范围，对于所选择的波长范围，所述芯的光损耗低于零偏置下的光损耗的电压范围。
在一个实施例中，偏置装置包括用于沿着波导改变偏置电压的分段电极。
根据第三方面，提供了一种包括根据第二方面的波导部分的光电子装置。
根据第四方面，提供了一种具有根据第二方面的波导部分的半导体激光器。
在一个实施例中，激光器是波长可调谐的。
在一个实施例中，激光器是热调谐的。
在一个实施例中，激光器是电调谐的。
根据第五方面，提供了一种具有根据第二方面的波导部分的光接收器。
在一个实施例中，光接收器是相干检测器。
附图说明
现在将参考以下附图仅通过示例的方式描述本发明的上述和其他方面：
图1是根据现有技术的具有接地无源部分的半导体激光器的示意图；
图2是吸收系数相对于由Franz-Keldysh效应引起的偏置电压的曲线图；
图3是热化的载流子密度相对于偏置电压的曲线图；
图4是总吸收系数相对于偏置电压的曲线图；
图5是示出根据本发明的方法的流程图；
图6是示出了针对图5的过程的典型光电二极管响应度相对于对辅助偏置电压的曲线图；
图7是示出了对于不同波长的典型光电二极管响应度相对于辅助偏置电压的的曲线图；
图8是在实施例中使用的波导的横截面图；
图9是在另一个实施例中使用的波导的横截面图；
图10是采用负偏置的可调谐激光器的示意图；
图11是根据实施例的相干检测器的示意图；
图12是当在1527nm工作时图10的相干检测器的光电流相对于偏置电压的曲线图；以及
图13是当在1570nm工作时图10的相干检测器的光电流相对于偏置电压的曲线图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，许多不同形式的其他实施例可能在本公开的范围内。相反，以下实施例是通过示例的方式提供的，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
虽然波导的接地在减少光损失和FM噪声方面是有效的，但是本公开将示出可以通过负偏置波导来进行进一步改进。特别地，偏置电压的选择是可能的，以便优化波导中的光损耗。
当电场施加到半导体波导时，存在两个竞争效应发生。这些是由于Franz-Keldysh效应引起的增加的光吸收和由于自由载流子等离子体效应(FCPE)和价带间吸收(IVBA)引起的光吸收的减少。
Franz-Keldysh效应是由于施加的电场而引起的半导体的强带间吸收边的偏移。这将材料的吸收边加宽并移动到较低的光子能量或较长的波长，因此增加了在固定波长或能量下光子的强带间吸收效应。由于是带间吸收，所以当光能被转换成电能时伴随有光电流，并且光电流与光强度成比例。
已经模拟了半导体中的竞争效应，以示出对于每个单独效应和总体结果，吸收系数如何随偏置电压变化。图2是由于Franz-Keldysh效应而导致的归一化吸收系数201相对于偏置电压203的曲线图200。结果是吸收系数随着偏置电压的增加而增加。
由于FCPE和IVBA引起的吸收系数强度的已公开的分析表达式(α_FCP)表明，它与波导载流子密度N成正比。该结载流子密度将随着偏置电压的增加而减小。随着施加的负偏置电压的增加，结电场增加，这促使通过弱带间Urbach尾部吸收过程产生的电荷载流子以小光电流的形式逸出。结果是结内稳态载流子密度的降低和FCPE和IVBA过程的降低。在足够高的偏置电压下，结完全耗尽电荷载流子，并且FCPE和IVBA过程消失。
图3是热化的载流子密度301相对于偏置电压302的曲线图300，其示出了这种效应。
FCPE/IVBA和Franz-Keldysh效应的组合效应已经被建模。图4是归一化的总吸收系数401相对于偏置电压402的曲线图，其示出了这两种过程的组合效果。该曲线图示出了在低偏置电压下去除电荷载流子的初始支配403，其中吸收系数降至最小值404。然后，当偏置电压进一步增加时，Franz-Keldysh效应开始主导吸收405。
通过施加适当选择的负偏置电压，这些结果可以用于减少半导体光波导中的光损耗。存在其中光损耗低于无偏置的情况下的光损耗的偏置电压范围。这通常取决于入射光的波长。在一个实施例中，选择工作波长或波长范围，确定光损耗低于无偏置时的光损耗的偏置范围，并且选择该范围内的负偏置并将其施加到波导。
图5是示出根据实施例的确定负偏置电压的步骤的流程图。第一步骤包括确定501对于芯的负偏置电压范围，对该负偏置电压范围，针对波长范围，芯的光损耗低于在零偏置下的光损耗。在一个实施例中，该步骤包括通过实验来测量光损耗。在另一个实施例中，该步骤包括使用先前获得的特性或光损耗的理论估计。一旦有偏置电压给出比零偏置的光损耗低的光损耗的区域，则选择502偏置电压。然后将该电压施加到与波导503连接的电极。在一个实施例中，选择偏置电压以提供最小的光损耗。
图6是示出了针对图5的过程的典型光接收器响应度相对于辅助偏置电压的曲线图。该曲线图是光响应度相对于601相对于偏置电压602的曲线图。存在阈值603，其对应于在零偏置电压下得到的光响应度。曲线图中有两个区域，第一区域604，其中光响应度高于零偏置电压时的光响应度，及第二区域605其中光响应度较低。在第一区域中，自由载流子吸收减少占主导地位，而在第二区域中，Franz-Keldysh效应占主导地位。第一区域是根据本发明的方法的有用区域。在该区域中选择的任何偏置电压减小自由载流子吸收并增加响应度。在一个实施例中，选择偏置电压以提供最大的光响应度506。
图7是示出了对于不同波长的典型光接收器响应度相对于辅助偏置电压的曲线图。示出了C波段内的六个波长的特性，即1513.34nm701、1540.56nm 702、1564.68nm 703、1589.57nm 704、1593.79nm 705和1619.62nm 706。
上述过程可以用于许多应用，包括可调谐激光器和相干接收器。图8和9分别是用于激光器和调制器/接收器的波导装置的横截面图。图8示出了用于激光器的波导800。这是一种没有水平侧壁的弱引导波导。激光器在正向偏置电压下工作，主要过程是辐射。如果存在侧壁，则引入非辐射过程，由于其短寿命，非辐射过程将占优势。因此，弱引导波导对于激光器是理想的。图8是这种波导800的横截面图，示出了引导的p掺杂层801、本征层802和n掺杂层803、用于施加负偏置电压的金属电极804、805以及介电层806。图9是适用于调制器和接收器的强引导波导900的横截面图。这里，侧壁907的存在使得波导能够弯曲，这对于调制器和接收器的结构是必要的。对于弱引导的情况，示出了引导的p掺杂层901、本征层902和n掺杂层903、用于施加负偏置电压的金属电极904、905和介电层906。
图10是典型的四部分可调谐激光器的示意图。使用同样影响折射率的载流子密度的热光效应或正向偏置电调谐，可以对每个部分中的折射率进行热或电调谐。这四个部分分别是后反射器1001、相位部分1002、增益部分1003和前反射器1004。在所示的示例中，在后反射器中使用热调谐，为其提供后光栅加热器1005。提供相位部分加热器1006以调谐相位部分1002。为后反射器和相位部分分别提供分接电极1007、1008。分接电极被设计成使用负偏置来移除过量载流子(导致光损耗)。调谐电极位于分接电极附近。对于电调谐部分(前泵1009、1010)，备用的未使用电极(1011、1012)可以根据应用需要被设置在负偏置电压或接地。
在一个实施例中，可调谐激光器包括基于磷化铟的脊形波导。在一个实施例中，分接电极位于脊波导的顶部上，并且加热器紧密接近。然而，本领域技术人员将理解，其它拓扑结构也是可接受的，并且本发明不限于任何一种拓扑结构。在图9的实施例中，分接电极在光学模式上方，在该光学模式中生成光载流子，这允许最有效的载流子收回(在载流子扩散距离内)。所述加热器位于所述分接电极的几微米内，因此对热调谐效率的影响很小。加热器拓扑结构可以关于脊对称或不对称，如这里所示串联或并联驱动。
在一个实施例中，TT-NLL后分接和相位分接电极被用作检测器，以同时将RF接地并施加负偏置以抽取载波。根据通过激光器的不同距离处的光功率密度，最佳负偏置可以取决于沿着波导的距离。这可以使用具有稍微折衷的偏置电压的大电极以用于随着距离改变载流子密度或者使用分段电极来解决。
在一个实施例中，波导用于相干接收器中。图11是可以应用所公开的技术的典型相干接收器的示意图。相干接收器1100具有光输入1101、1102、连续光波导1103和四个光电二极管1106、1107、1108、1109。波导具有由辅助电极1105、1106提供的较短的长度。根据本发明的方法，辅助电极被负偏置，以抽出过量载流子。结果，在光电二极管处接收到数量增加的光子。应当注意，施加到波导部分以用于光损耗减少的偏置电压通常比通常用于光电二极管中的偏置的偏置电压低得多。
图11和13是示出了在光电二极管处接收的光电流1201、1301与偏置电压1202、1302的关系的曲线图1200、1300。每个光电二极管的光电流被示出1203、1303。图12显示了1527nm波长的结果，图13显示了1570nm波长的结果。
作为可以获得的性能改进的一个例子，已经证明在相干接收器中，在1513nm到1570nm之间的波长可以实现～4％(～0.2dB)的典型改进，在1615nm的波长可以实现～2％，负偏置电压波导部分＜500μm，芯片长度4mm，并且波导长度＞5mm。在-2V获得峰值波导损耗降低。
在一个替代实施例中，光波导的全长设置有电极。使用更长的电极，具有总波导长度的更大部分，能够改善载流子的提取并改善更多的波导损耗。在一个实施例中，负偏置电压的施加被施加到波导的整个长度，使得光损耗能够被优化。这允许材料光致发光(PL)波长的灵活性，同时实现低损耗。
据估计，波导损耗的改善将与波导被电极覆盖的部分成比例。对于具有负偏置电压电极的50％波导覆盖，0.85dB的改善是可能的，并且当覆盖增加到100％覆盖时，这种改善将增加。
以上主要参照几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例之外的其他实施例同样可能在如所附权利要求限定的本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种操作包括光波导部分的光电器件的方法，所述光波导部分包括半导体芯，该方法包括以下步骤：
确定(401)针对所述波导部分的负偏置电压范围，对于该负偏置电压范围，对于所述器件的操作波长范围，所述芯的光损耗低于零偏置下的光损耗；
在所述范围内选择(402)偏置电压；以及
将所选择的偏置电压施加(403)到所述波导部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的偏置电压对应于最小光损耗。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过使用分段电极，所选择的偏置电压沿着所述波导部分的长度变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述光电器件是半导体激光器。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述波导部分为所述半导体激光器的无源部分。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述波导部分为光接收器的一部分，所述光接收器还包括至少一个光电二极管。
7.一种光波导部分，包括：
本征半导体芯(802、902)，位于掺杂半导体包层(801、803、901、903)之间；
偏置装置，用于提供在所述波导部分两端的负偏置电压，
其中所述负偏置选自一电压范围，对于该电压范围，对于所选择的波长范围，所述芯的光损耗低于零偏置下的光损耗。
8.根据权利要求7所述的光波导部分，其中，所述偏置装置包括分段电极，用于沿着所述波导的所述长度改变所述偏置电压。
9.一种光电器件，包括根据权利要求7或权利要求8所述的光波导部分。
10.一种半导体激光器，包括如权利要求7或8所述的光波导部分。
11.如权利要求10所述的半导体激光器，其中，所述激光器是波长可调谐的。
12.如权利要求11所述的半导体激光器，其中，所述激光器是热调谐的。
13.如权利要求11所述的半导体激光器，其中，所述激光器是电调谐的。
14.一种光接收器，包括根据权利要求7或8所述的光波导部分和光电二极管。
15.根据权利要求14所述的光接收器，其中所述接收器是相干接收器。
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