CN1149425C - 电吸附调制器及制造该调制器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制造用于调制光的波导类型的电吸附调制器(EAM)，包括波导芯，波导包层(42、43、52、53)和电极(45、55)，调制器布置成响应于施加到电极的电压调节发射到调制器中的光线。根据本发明，波导芯(41，51)的宽度和/或厚度沿着调制器的长度变化。调制器的宽度和/或厚度在光线预定输入调制器的部位比较小，目的在于减少调制器那儿的吸附。制造调制器的方法利用楔形光刻掩膜(46)。
Description
技术领域
本发明部分地涉及电吸附调制器，特别是其改进的性能，并且部分地涉及制造该电吸附调制器的不同方法。
背景技术
电吸附调制器(EAM)，特别是包括波导和通常单片集成到所谓的DFB激光器(分布式反馈激光器)的类型对于用在长距离传输中以高比特率传输(一般为2.5Gb/s和10Gb/s，将来可能是40Gb/s)的光纤是非常重要的元件种类。
其原因在于这种EAM元件比例如直接调节的激光器有更理想的特性(特别是在调节期间动态波长即所谓的线性调频偏移小)。此外，生产这类元件非常简单，并且只需要很小的驱动电压(与其它类型的外部激光调制器如用锂新石制造的Mach-Zender调制器相比)。不仅如此，EAM元件对于包括波分多路传输(WDM)等应用都非常有益。
常规的EAM元件包括波导，波导的波导芯折射率比周围的高，例如可参见EP0,809,129、EP0,726,483和GB2,281,785，这些参考文献在此引为参考。对于用波长1.3或1.5*m的发射光线工作的元件，芯主要包括半导体材料，例如InGaAsP或InGaAsP和InP的交互层。芯不掺杂或仅轻微地掺杂。在芯之上或之下，分别主要有掺p的InP层和掺n的InP层，因此，完整的结构包括p-i-n二极管。
整个调制器的衰减取决于发射光的光子和芯的频带隙之间的能量差。频带隙特别受外加电场的影响。因此，布置p-i-n二极管，以便当给二极管施加反向偏压时，发射光的大部分被吸附，由此增大光电流。一般消光比可以达到10-30dB。
这方面的问题是频带隙也强烈地依赖温度。增大的光电流导致电阻发热并因而温度升高，由此造成衰减。一级近似与辐射能力成正比的吸附在调制器启动时最高，也就是说，在发射光进入调制器的时候最高，由此该时的光电流也最高。因此，该时达到衰减的最强影响。
要清楚温度关系曲线如何在数字传输系统中产生问题，让我们考虑下列例子。假设一方想发送一个或几个连续的“1”，在前面加上一串连续的“ 0”。这些“0”与反偏的二极管对应。根据上述讨论，这样做会导致温度大幅度升高，特别是在调制器启动时。当电压变低时，相应于传送的一个“1”，完成一个出自二极管的光脉冲。代替锐面，反映外加电压的差别，完成一个缓慢的建立过程；只有在一定阶段之后元件才接近对于“1”的光功率的恒定值。这就明确地限制了传输介质的带宽。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种性能改进了的电吸附调制器。
本发明的另一个目的是提供一种不会由于调制器的芯子中频带隙对温度的强烈依赖性而产生问题的电吸附调制器。
本发明在这方面的一个特殊目的是提供一种电吸附调制器，该调制器在调制器上的电压减少时产生一个具有很短上升时间的光脉冲。
本发明的另一个目的是提供一种制造前述的电吸附调制器的方法。
本发明的更多的目的将从下面的详述中了解。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于光调制的波导型的电吸附调制器(EAM)，包括波导芯，波导包层和电极，调制器布置成响应于施加到电极的电压调节发射到调制器中的光线，其特征在于波导芯的厚度沿着调制器的长度以这样一种方式变化，即：其厚度在光线预定输入调制器的部位比光线输出调制器的部位小，目的在于减少调制器在那里的吸附。
特别安排这种变化，以便沿着调制器的长度方向大体上实现均匀的光电流分布和因此的温度分布，目的是为了减少调制器对热的依赖性和光的上升时间。
电吸附调制器最好布置成用于光纤传输中数字信号的强度调节。它可以与DFB激光器(分布式反馈激光器)单片集成到半导体基片上，并且可以使用InP/InGaAsP，InP/InGaAlAs或GaInAs/AlGaAs等任一材料系统制造。
波导芯具有体结构或量子阱结构，而波导可以形成为埋入式波导或所谓的肋状波导组成。
根据本发明的第二方面，提供一种制造用于调制光的波导型电吸附调制器(EAM)的方法，包括波导芯，波导包层和电极，调制器布置成响应于施加到电极的电压调节发射到调制器中的光线，其特征在于形成一种其厚度沿着调制器的长度变化的调制器，调制器的厚度以这样一种方式变化，即：其厚度在光线预定输入调制器的部位比光线输出调制器的部位小，目的在于减少调制器在那里的吸附。
为了制造一种其宽度沿着调制器的长度变化的波导，可以使用所谓的楔形光刻掩膜工艺，或选择蚀刻法。如果制造一个具有量子阱结构的波导芯，可以有选择地蚀刻量子阱结构中不活跃的所谓的SCH(独立密封异质结构)层。
为了制造其厚度沿着调制器的长度方向变化的波导，可以采用通过掩膜和蚀刻对波导芯SAE(选择区域晶体取向生长)或使局部变薄。
本发明的一个优点是可以较快地执行强度调节，这样就提供了更高的传输能力。
附图说明
以下参考附图对本发明进行详细地描述。附图仅以图解形式给出，因此对本发明没有限制。
图1是根据先有技术的电吸附调制器横截面；
图2是图1所示调制器的光输出信号作为对由3个“0”后接5个“1”组成的电输入信号的响应的例子；
图3表示现有的具有恒定波导宽度的调制器和本发明的具有变化宽度的调制器，作为纵向位置坐标函数的单位长度相对吸收率；
图4是根据本发明优选实施例的所谓的BH(埋入式异质结构)方法制造波长宽度变化的电吸附调制器的主要步骤。
图5是根据本发明另一优选实施例的所谓的选择蚀刻方法制造波长宽度变化的电吸附调制器的主要步骤。
具体实施方式
在下面的描述中，为了说明的目的和不受限制，提出特殊的细节，例如具体的应用、技术和方法等，以便达到对本发明完全理解的目的。但是，对于本领域的技术人员来说，在脱离本发明的这些具体细节以其它的形式实施本发明是显而易见的。在其它一些例子中，省去了对众所周知的方法、协议、装置或电路的细节描述，这样不致于因为一些无用的细节使本方明的描述难于理解。
参考图1，以前已知的半导体材料如标准的InP/InGaAsP的EAM元件100，如具有体结构或量子阱结构的波导芯101的波导，称为i层，i层的折射系数比周围环境的高。对于波长在1.3到1.5μm的发射光，芯一般由半导体材料例如InGaAsP作为体结构、或InGaAsP或可能的InP交错层作为量子阱结构组成。芯子一般掺有少量杂质或根本不掺杂质。芯的上面是掺有P的InP层103，芯的下面是掺有n的InP层105。因此，这样的结构构成p-i-n二极管。作为另一个选择，上层掺N而下层掺P。
波导芯的两面都有InP，可以是掺杂或不掺杂(在图1中没有表示)；通常大部分材料由半绝缘InP组成。包层103的上部有一个接触层107，在接触层107上形成电极109。半绝缘InP层111也可以形成在电极109前后的芯子101和上包层103之间，例如，用于绝缘的目的。波导芯的宽度一般大约1μm(对于单模的波导来说)。
激光113从图1中左手侧发射进入调制器100。调节后的光115从调制器中输出到所述图的右侧。通过调制器的衰减取决于外加在电极109上的电压。如果p-i-n二极管反偏，则在i层109上会产生一个很强的电场。这会导致注入的激光113的大部分被吸附。这是众所周知的，被称为电吸附。如果芯由体积组成，这种现象称为Franz_Keldysh效应，而如果芯由量子阱组成，这种现象称为斯塔克效应。
利用长度为100-300μm、i层的厚度介于0.1-0.4μm之间(典型值)的调制器，只要假设外加在电极上的电压为2V的量级，就可以达到10-30dB消光比。消光意味着当传输“1”时(调制器的电极的电压低或无电压)，从调制器中输出光的输出能量与当传输“0”时(在电极上高负电压，1或若干伏)输出的光输出能量之间的相对差别。
消光的数值取决于输入光的量子和i层材料的频带隙之间的能量差。差值越小，施加单位电压时在吸附上的变化越大。这依靠电吸附，即所谓的共振现象。
可以以下面的方式理解。通过在i区上施加外加电场，材料的频带隙减少，导致增大的吸附率，产生低于频带隙能量的光能。例如如果波长是1.55μm的光(相对的量子能量为0.8eV)耦合到调制器，则一般选择频带隙在0.82-0.88eV之间的调制器的i层。
被吸附的光产生光电流。每个被吸附的光电子生成一个在外加电场下是分离的空穴/电子对。一些空穴和电子对在接触前没有时间重新复合，但是对于一个精心设计的元件来说，如果该元件作为光电二极管，可以达到很高的外部量子效率(90％)。
调制器在启动时光强度最高。这意味着当在电极上施加反偏时，在那儿吸附率最强。然后在一级指数近似中，波导中的光强度在调制器的最后部分减小到非常小。这表明在调制器的启动时(图1的左侧)产生的光电流密度最大。
可以理解这会带来严重的问题，特别是如果想要得到很高的消光比，而同时把大量光线入射进EAM波导中时。其原因在于局部受热。通过几伏的反相偏压以及10-25mA的光电流(对应于1.55μm波长的8-20mW的输入光功率；当EAM元件与DFB激光器(分布式反馈激光器)单片集成在同一个半导体基底上时，这样的光强度很容易得到)得到波导强烈地局部电阻受热。单位面积上产生的热功率由局部的光电流密度乘以i层上的电压降给出。热量提高了局部的温度。利用25μm长的1000K/W量级的热阻，可以很容易地实现几十K的局部升温。升温沿着调制器的长度方向以一种类似于光电流密度的方式(虽然不相同)非均匀分布。
通过研究下面的例子可以看到，这样会在数字传输系统中导致严重的问题。要传送1或连续的“1”，在1的前面加上一长串“0”。这些“0”对应于施加在i层上(提供很强的吸附率)的很大的反相偏压。根据以上论据，这样会导致温度大幅度升高，特别是在调制器启动时(图1的左侧)。当电压值之后变小时，相当于传输一个“1”，可以得到一个类似于图2的发自EAM组件的光输出脉冲。
图2所示调制器的作为时间函数的电输入信号(矩形)和光输出信号(菱形)例子。输出信号由3个“ 0”后接5个“1”组成。在调制器启动时，由于负偏压(-2V)时单位长度上的强吸附作用导致发生强烈的受热。
代替锐面，反映外加电压的差别，完成一个缓慢的建立过程。只有在某一阶段之后，元件材接近对于的“1”的光功率的恒定值。注意到对于具有10Gb/s传输能力的NRZ调节，图中的时间比例周期对应0.2纳秒。
这种状况的原因在于吸附系数除了依靠电场强度以外，在很大程度上取决于温度，反过来温度取决于半导体材料的频带隙对温度的依赖。一长串“0”之后，即使当外加反相偏压变小时，因为温度较高而在i层的频带隙较小，所以仍能保持很高的吸附率。调整到图2中的稳定状态的时间常数取决于波导和周围层的精心布放。容易看到很有可能达到时间常数小于1ns，因为吸附在很小的区域发生。虽说如此，光上升时间是带宽限度，最好是能减小它，特别是减少到相当大的程度。
通过以沿着调制器长度方向上光电流更均匀地分布的方式实现上述讨论的问题，并且通过改变有效吸附层中的光限制因素，可以实现根据本发明原理的电吸附调制器。
因此可以避免局部的、大幅度的升温，由此得到一个具有较短的光上升时间的电吸附调制器。
替代波导芯的宽度和厚度恒定，波导芯的宽度和/或厚度可以沿着调制器改变。光线射入的最靠近的点(图1的左侧)处，波导芯最好做得窄或薄，相反最靠近光线射出的点(图1的左侧)处，波导芯最好做得宽或厚。
通过这种布局改变了光限制因素，并且因此改变了吸附率。在调制器启动时光限制因素很小，因而吸附率也较小。这意味着该处的放热比调制器宽和/或厚时的小。此外，当由于吸附作用光功率减少时，调制器的波导芯的宽度和/或厚度增加，由此，吸附率也增加。
用这种方式可以得到沿调制器分布更均匀的光电流，并且避免了在最靠近光线射入点的很小区域内大幅度的升温。
在EAM调制器的吸附取决于光限制因素和外加场的强度，它会产生下面的结果：
只要改变波导芯的宽度，加在调制器电极上的电压就会在调制器的i层上提供一个不依赖于其长度的相对恒定的电场强度。但是，如果波导芯做得很窄，由于增大的电阻和电压降，在电场强度和波导芯宽度之间可能存在某种关系曲线。在这种情况下，增大了预想的效果。
为了得到沿着调制器的非常均匀的吸附率(和因此的光电流分布)，应因此增大波导芯的宽度，以便光限制因素的增加完全补偿由于吸附而导致的光功率的减小，以这样的方式使得波导芯沿芯的光功率变得恒定。
只要改变波导芯的厚度，在i层上的电场强度也会改变。薄的波导部分获得很高的电场强度(提供很高的吸附率)和低的光限制因素(提供很低的吸附率)。换言之，如果在波导芯的整个厚度上光限制因素改变，则会存在两种相互抵消的作用。
作为波导芯厚度函数的吸附作用对于某些厚度存在一个最大值(无限小的厚度和无限大的厚度分别给出零吸收)。
为了得到沿着调制器的更均匀的吸附率(和因此的光电流分布)，如果厚度比相应于最大吸附作用的厚度小，波导的厚度因此朝着调制器输出的方向增加，这在实际中是最常见的。
宽度和/或厚度的最佳变化尽可能用数字的形式估算出来。
图3表示现有的具有恒定波导宽度的传统结构和本发明的具有变化宽度的结构，即所谓的楔形结构，作为纵向位置坐标函数的单位长度相对吸收率。光在x＝0μm处入射。
波导由量子井结构(由未掺杂的具有大于井的频带隙的InGaAsP位垒包围的1 0个未掺杂的InGaAsP量子阱)组成。在本例中调制器长180μm。元件反相偏压到其材料吸附率为5 00cm-1的水平。常规结构的波导芯具有1.0μm的恒定宽度，而本发明楔形(换言之，沿着波导宽度改变)结构的波导芯的宽度从0.5μm到1.2μm线性改变。在本例中波导的厚度保持不变。
如图3所示，通过楔形结构实现沿着调制器的更均匀的吸附率，换言之，大部分均匀的分布。它会导致更均匀的温度分布，并且防止在调制器启动时强烈的局部受热。
根据本发明，电吸附调制器最好用于光导纤维传输的数字信号的强度调节。它可以是单独的或与一个激光源单片集成。
此外，如果EAM元件适用于很高的比特率，则必定制造成具有较低的电容，即较短的长度，因为电容与电驱动电路的等值电阻一起影响调制光的上升和下降时间。
可以采用几种方法制造本发明的宽度/厚度变化的调制器。下面将参考图4、图5简单地讨论五个方法的例子。
第一种方法是通过利用楔形光刻掩膜制造宽度变化的波导芯。波导芯是通过常规的光刻蚀法限定的，例如接触光刻法、投射光刻法、E-光柱光刻法或类似的方法，以及随后刻蚀。根据本发明使用的光刻掩膜是楔形的，因此波导芯也将是楔形的。
图4形象化地示出工艺的主要步骤，图中示出了所谓的BH工艺(埋入式异质结构)，但是本发明也适合于其它的激光器/调制器工艺的改型，例如：制造肋状激光器。图4中表示I：波导芯掩膜的俯视图，II：遮蔽之后蚀刻之前图I中沿着A-A和B-B方向的横截面图。III：刻蚀之后相同的横截面图。IV：为完成全过程后相同的横截面图。图中标号41代表波导芯，42代表掺杂n的InP，43代表掺杂p的InP，44代表半导体绝缘InP，45代表电极，而46代表掩膜。
第二种方法通过选择性地蚀刻制造宽度变化的波导芯。通过利用有选择地刻蚀，最好是湿法刻蚀，该方法刻蚀波导芯的材料，但不刻蚀周围的材料，再加上遮蔽不被蚀刻的波导部分，可以实现在不同部分有不同宽度的波导。这里通过对不同长度的掩膜重复几次蚀刻步骤，在波导宽度上给出非连续的间距，可以实现波导宽度的更加连续地改变。
图5表示根据本方法实现宽度变化的波导的不同的主要步骤。因此，图中I为波导掩膜的俯视图，II为在遮蔽之后刻蚀之前图I中沿着A-A和B-B剖切的横截面图，III为刻蚀之后相同的横截面图，IV为完成全过程后相同的横截面图。图中标号51代表波导芯，52代表掺杂n的InP，53代表掺杂p的InP，54代表半导体绝缘InP，55代表电极，56代表波导遮蔽，而57代表用于有选择刻蚀的掩膜。
第三种方法是通过选择地刻蚀掉不活泼的SCH(单独密闭的异质结构)层，即具有影响光限制因素的作用特别用于量子井结构制的波导芯中的制造宽度变化的波导芯。
第四种方法是使用SAG(选择区域的晶体取向增生)制造具有变化的、楔形的厚度的波导芯。在波导芯晶体取向增生前，把一个掩膜，如二氧化硅或氮化硅放置在结构中。波导芯层以及i层的增长率及因此的厚度取决于与掩膜的距离。适当的设计掩膜可获得具有楔形厚度的层。
第五种方法是通过使芯层局部变薄制造具有楔形厚度的波导芯。通过在芯层应该较薄的区域使芯层变薄(使用遮蔽和刻蚀)来获得变化的厚度。这里提供的芯层厚度不是连续间距，但是通过对不同的掩膜重复几次该步骤，可以实现波导芯厚度更加连续地改变。
很显然，把上面描述的两种或更多的方法组合起来也是适用的。
显然本发明不局限于上面描述的实施例和图中的图解，但是可以在所附的权利要求范围内修改。特别是本发明很显然不受有关电吸附式调制器的材料、尺寸或制造方法的限制。
Claims (16)
1.一种用于光调制的波导型的电吸附调制器，包括波导芯，波导包层(42、43、52、53)和电极(45、55)，调制器布置成响应于施加到电极的电压调节发射到调制器中的光线，其特征在于波导芯(41，51)的厚度沿着调制器的长度以这样一种方式变化，即：其厚度在光线预定输入调制器的部位比光线输出调制器的部位小，目的在于减少调制器在那里的吸附。
2.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于它被布置成用于光纤最佳传输的数字信号的强度调节。
3.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于它与至少一个分布式反馈激光器单片集成到半导体基片上。
4.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于它至少部分地使用InP/InGaAsP，InP/InGaAlAs或GaInAs/AlGaAs的任一材料制造。
5.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于波导芯具有体结构或量子阱结构。
6.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于波导被设计成埋入式波导或肋状波导。
7.如权利要求1所述的电吸附调制器，其特征在于设置一种变化，以便沿着调制器实现大体均匀的光电流分布和由此的温度分布。
8.一种制造用于调制光的波导型电吸附调制器的方法，包括波导芯，波导包层(42、43、52、53)和电极(45、55)，调制器布置成响应于施加到电极的电压调节发射到调制器中的光线，其特征在于形成一种其厚度沿着调制器的长度变化的调制器，调制器的厚度以这样一种方式变化，即：其厚度在光线预定输入调制器的部位比光线输出调制器的部位小，目的在于减少调制器在那里的吸附。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于波导芯利用选择区域晶体取向生长形成。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于波导芯形成有连续变化的厚度。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于通过掩膜和蚀刻使波导芯的厚度较小。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于形成一种变化，使得实现沿着调制器大体均匀的光电流分布和由此的温度分布，目的是为了减少调制器对热的依赖性和光的上升时间。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于在半导体基片上形成与至少一个DFB(分布式反馈)激光器单片集成的调制器。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于至少部分地利用InP/InGaAsP，InP/InGaAlAs或GaInAs/AlGaAs的任一材料形成调制器。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于形成具有体结构或量子阱结构的波导芯。
16.如权利要求8所述的方法，其特征在于把波导设计成埋入式波导或肋状波导。
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