CN112736645B - 一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，包括：提供基板；在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层；沉积p型金属制作p型电极；制作增益介质串联图形；刻蚀制作脊波导结构至n电极层，形成增益介质；沉积n型金属制作电极。为了更好地控制光场采用深刻蚀工艺，刻蚀波导结构时贯穿有源区(层)，如刻蚀贯穿上限制层和有源层，刻蚀至部分下限制层。其中，分子束外延是外延制膜方法，是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。

Description

一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法
【技术领域】
本发明涉及光电子领域，具体涉及一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法。
【背景技术】
光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。光放大器的开发成功及其产业化是光纤通信技术中的一个非常重要的成果，它大大地促进了光复用技术、光孤子通信以及全光网络的发展。光放大器主要有两种，半导体放大器(semiconductor optical amplifier)及光纤放大器。半导体放大器一般是指行波光放大器，工作原理与半导体激光器相类似。其工作带宽是很宽的，但增益幅度稍小一些，制造难度较大，这种光放大器虽然已实用，但推广使用上面对较多的技术制约。
在光通信领域和光传感领域经常需要对链路中的光进行放大或提供增益，在通讯C波段可以用掺饵光纤(EDFA)解决增益不足的问题，然而在通讯O波段目前需要用半导体光放大器解决。目前商用的半导体光放大器多采用量子阱结构。InAs(砷化铟)量子点材料相比于传统量子阱材料具有增益带宽大的特点，因此十分适合用来制造半导体光放大器和反射性半导体光放大器(RSOA)。然而量子点材料相比传统量子阱材料具有增益不足的缺陷。因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种宽光谱、高功率的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，包括：
提供基板；
在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层；
沉积p型金属制作p型电极；
制作增益介质串联图形；
刻蚀制作脊波导结构至n电极层，形成增益介质；
沉积n型金属制作电极。
在其中一个实施例中，所述有源层由量子点材料构成。
在其中一个实施例中，所述基板为砷化镓材质。
在其中一个实施例中，刻蚀制作脊波导结构至n电极层，形成增益介质的过程还包括：刻蚀前在所述上限制层上沉积p电极层，刻蚀后在表面沉积n电极，在刻蚀脊波导表面上依次形成二氧化硅介质膜和金接触电极。
在其中一个实施例中，在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层的过程还包括：通过分子束外延在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层。
在其中一个实施例中，在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层的过程还包括：通过金属有机化合物化学气相沉淀外延在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层。
在其中一个实施例中，制作增益介质串联图形的过程具体包括：通过光刻制作MMI增益介质串联图形。
在其中一个实施例中，沉积n型金属制作电极的过程具体包括：沉积n型金属制作n表面电极或制作背电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：为了更好地控制光场采用深刻蚀工艺，刻蚀波导结构时贯穿有源区(层)，如刻蚀贯穿上限制层和有源层，刻蚀至部分下限制层。制作工艺具体包括分子束外延(MBE)生长、沉积p电极、深刻蚀波导结构、二氧化硅介质膜钝化开窗口、电镀金电极、衬底减薄并制作n电极、解理镀膜等。其中，分子束外延是外延制膜方法，是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。由于量子点非均匀展宽特性带来相比量子阱结构更宽的光谱增益，利用量子点材料结构以实现相比传统量子阱方案更宽增益、更小波动、更大功率的半导体光放大器。
【附图说明】
图1是本发明大功率半导体光放大器增益介质截面示意图；
图2是本发明大功率半导体光放大器增益介质刻蚀后截面示意图；
图3是本发明大功率半导体光放大器示意图；
图4是本发明大功率半导体光放大器增益介质的制备方法流程示意图；
图5是本发明大功率半导体光放大器增益介质光场分布示意图；
图6是本发明大功率半导体光放大器增益介质输出功率测试示意图；
图7是本发明大功率半导体光放大器增益介质温度稳定性测试示意图。
【具体实施方式】
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语″中心″、″纵向″、″横向″、″上″、″下″、″前″、″后″、″左″、″右″、″竖直″、″水平″、″顶″、″底″、″内″、″外″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语″第一″、″第二″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有″第一″、″第二″等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请创造的描述中，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1是本发明大功率半导体光放大器增益介质截面示意图；图2是本发明大功率半导体光放大器增益介质刻蚀后截面示意图；图3是本发明大功率半导体光放大器示意图；图4是本发明大功率半导体光放大器增益介质的制备方法流程示意图；图5是本发明大功率半导体光放大器增益介质光场分布示意图；图6是本发明大功率半导体光放大器增益介质输出功率测试示意图；图7是本发明大功率半导体光放大器增益介质温度稳定性测试示意图。
请参阅图4，本发明公开了一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，包括：步骤10，提供基板；步骤20，在基板上依次生长缓冲层、n电极层12、下限制层、有源层和上限制层、p电极层15；步骤30，沉积p型金属制作p型电极；步骤40，制作增益介质串联图形；步骤50，刻蚀制作脊波导结构至n电极层12，形成增益介质；步骤60，沉积n型金属制作电极。
在其中一个实施例中，大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，包括：提供基板11，基板11为砷化镓材质；在基板11上通过分子束外延或MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)外延生长设备依次生长缓冲层、n电极层12、下限制层13′、有源层14和上限制层13、p电极层15；沉积p型金属制作p型电极；通过光刻制作MMI增益介质串联图形；刻蚀制作脊波导结构至n电极层12，形成增益介质10；沉积n型金属制作n表面电极或制作背电极。
制作工艺和传统脊波导激光器制作类似，但为了更好地控制光场可采用深刻蚀工艺，刻蚀波导结构时贯穿有源区(层)。如刻蚀贯穿上限制层13和有源层14，刻蚀至部分下限制层13′。制作工艺具体包括分子束外延(MBE)生长、沉积p电极、深刻蚀波导结构、二氧化硅介质膜钝化开窗口、电镀金电极、衬底减薄并制作n电极、解理镀膜等。其中，分子束外延是外延制膜方法，也是一种特殊的真空镀膜工艺。外延是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法：在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
在其中一个实施例中，在基板11上依次生长缓冲层、n电极层12、下限制层13′、有源层14和上限制层13、p电极层15，有源层14由量子点材料构成。
在其中一个实施例中，刻蚀贯穿上限制层13、有源层14、下限制层13′形成增益介质的过程还包括：刻蚀前在所述上限制层13上沉积p电极层15，刻蚀后在表面沉积n电极，在刻蚀脊波导表面上依次形成二氧化硅介质膜和金接触电极。为了形成金属电极，可在基板11底部减薄。n电极也可通过在基板11底部形成n金属电极。
请参阅图1至图3所示，本发明还公开了一种大功率半导体光放大器，包括沿光传播方向依次设置的若干增益介质10，增益介质10用于放大输入增益介质10的信号光或提供增益，尤其在在通讯O波段。实施例中，增益介质10包括基板11、以及基板11(衬底)上方依次层叠设置的下限制层13′、有源层14和上限制层13。有源层14由量子点材料组成。增益介质10由上述一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法制备。
图5是本发明实施例中大功率半导体光放大器增益介质光场分布示意图，试验发现，有源MMI(多模干涉)量子阱器件的电致发光红外照片与通过光波传播理论(BPM)仿真算出的光场分布所吻合，意味着有源MMI结构具备和同样结构无源器件相似的光场分布。基于该原理，通过设计MMI波导结构可以实现进出MMI的波导具有相同的模式。实施例中，采用依次设置的若干增益介质10，一一连接，光在未进入增益介质10或离开增益介质10后的光场分布相同或近似，并在进入增益介质10后得到扩散。就此结构设计的MMI半导体光放大器面积大于传统的直波导激光器，使得有源MMI结构具有较低的电阻和更高的增益面积，因此所制作的半导体光放大器相比于传统SOA/RSOA具有更高的输出功率和更好的温度稳定性。
量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20nm之间。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。本实施例中的量子点材料优选采用铟镓砷(InGaAs)/砷化铟(InAs)材料，由InGaAs/InAs材料及相应的衬垫结构形成有源层14。
在其中一个实施例中，基板11为砷化镓衬底，并在衬底上采用分子束外延技术或气相外延技术形成层叠结构。
在其中一个实施例中，若干增益介质10彼此串联连接，形成MMI级联结构，其沿光传播方向上的前一个增益介质10的输出信号光作为后一个增益介质的输入信号光。
在其中一个实施例中，所述增益介质为1×1多模相干结构(MMI)。通过利用MMI结构可实现输入与输出光模长的镜像特性，保障输入和输出光的单模特性。同时利用MMI区域增加了增益区域范围，从而本实现SOA器件的大功率输出。
为了保证半导体光放大器的更高的输出功率和更好的温度稳定性，在其中一个实施例中，增益介质10至少具有一个，并可多个级联。增益介质10本身的尺寸也影响输出功率，可通过增加单个增益介质10的长、宽以进一步增大功率。
在其中一个实施例中，增益介质10外镀有增透膜(AR)。在其中一个实施例中，大功率半导体光放大器用于制作反射型半导体光放大器，增益介质10外镀有反射膜(HR)和增透膜。针对不同的使用情景，包括应用于半导体光放大器(SOA)和反射式半导体光放大器(RSOA)，采用不同的镀膜方案，SOA镀膜AR/AR，RSOA镀膜HR/AR。优选的，反射式半导体光放大器采用直波导HR和极低反射AR，易于耦合，只靠AR镀膜降低反射率；或前端弯曲波导HR/AR镀膜，弯曲波导+AR拥有极低反射(10e-5)，但弯曲波导不易于耦合。半导体光放大器采用前端弯曲波导AR/AR镀膜，弯曲波导+AR拥有极低反射(10e-5)，但弯曲波导不易于耦合；或斜波导AR/AR镀膜，易于制作，具有极低反射率，但由于角度问题耦合会损失一部分光功率。
为了对增益介质10的层间结构提供保护，提高增益介质10的稳定性，在其中一个实施例中，p电极层15和n电极层12分别与有源层14之间设有上限制层13和下限制层13’，上下限制层可采用AlGaAs(砷化铝镓)材质制成。
在其中一个实施例中，基板11上方依次层叠设置有缓冲层、n电极层12、下限制层13′、有源层14、上限制层13和p电极层15，p电极层15和n电极层12分别与有源层14之间设有上述上限制层和下限制层。
在其中一个实施例中，上限制层13和下限制层13′为铝镓砷层层，p电极层15和n电极层12为砷化镓(GaAs)层。
参考图6、图7，经测试，采用本发明方法制作的大功率半导体光放大器相对普通或常规结构具有更好的输出功率和温度稳定性。
本发明实施例中的大功率半导体光放大器所制作的o波段SOA可用于数据中心，L波段刻用于电信长距离传输的光信号放大。RSOA可与无源PLC波导(平面光波导)结构混合集成制作大功率窄线宽可调激光器，或则用于增益芯片制作激光器阵列光源。其中，窄线宽激光器可用于相干传输、光纤传感等应用。激光器阵列芯片可用于制作波分复用光模块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：为了更好地控制光场采用深刻蚀工艺，刻蚀波导结构时贯穿有源区(层)，如刻蚀贯穿上限制层和有源层，刻蚀至部分下限制层。制作工艺具体包括分子束外延(MBE)生长、沉积p电极、深刻蚀波导结构、二氧化硅介质膜钝化开窗口、电镀金电极、衬底减薄并制作n电极、解理镀膜等。其中，分子束外延是外延制膜方法，是在适当的衬底与合适的条件下，沿衬底材料晶轴方向逐层生长薄膜的方法。使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。由于量子点非均匀展宽特性带来相比量子阱结构更宽的光谱增益，利用量子点材料结构以实现相比传统量子阱方案更宽增益、更小波动、更大功率的半导体光放大器。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层；
沉积p型金属制作p型电极；
制作增益介质串联图形，制作增益介质串联图形的过程具体包括：通过光刻制作MMI增益介质串联图形；
刻蚀制作脊波导结构至n电极层，形成增益介质；
沉积n型金属制作电极。
2.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，所述有源层由量子点材料构成。
3.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，所述基板为砷化镓材质。
4.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，刻蚀制作脊波导结构至n电极层，形成增益介质的过程还包括：刻蚀前在所述上限制层上沉积p电极层，刻蚀后在表面沉积n电极，在刻蚀脊波导表面上依次形成二氧化硅介质膜和金接触电极。
5.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层的过程还包括：通过分子束外延在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层。
6.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层的过程还包括：通过金属有机化合物化学气相沉淀外延在所述基板上依次生长缓冲层、n电极层、下限制层、有源层和上限制层、p电极层。
7.如权利要求1所述的大功率半导体光放大器增益介质的制备方法，其特征在于，沉积n型金属制作电极的过程具体包括：沉积n型金属制作n表面电极或制作背电极。
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