CN1366367A

CN1366367A - 波长可调谐电吸收调制分布反馈激光器和制作方法

Info

Publication number: CN1366367A
Application number: CN 01100473
Authority: CN
Inventors: 刘国利; 王圩; 张静媛
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: CN1153320C

Abstract

本发明是在EML的激光器脊型波导的一侧制作一金属薄膜加热器,改变加热器的工作电流可以改变激光器的工作温度因而改变EML的波长;同时在DFB激光器的后端加一段相位调制器,改变调相区的工作电流可以改变DFB激光器的反馈光相位,进而改变DFB激光器的阈值工作条件,可实现波长快速调谐的EML。该器件的结构简单,制作方法简单,调谐方法简单。

Description

波长可调谐电吸收调制分布反馈激光器和制作方法

本发明涉及一种新型的波长可调谐电吸收调制分布反馈激光器(分布反馈激光器〔DFB-LD〕与电吸收调制器〔EA modulator〕单片集成器件)的制作方法。

电吸收调制DFB激光器已经成为长途干线高速光通讯系统采用的主要光源，因为该器件的尺寸小、成本低、低啁啾、驱动电压低等优点，使得该器件的研发得到极大的重视。但随着internet的发展，为解决网络传输速率的瓶颈，需采用波分复用(WDM)技术。在波分复用技术中，国际电信联盟(ITU)对复用信道的频率做了严格的要求，以便于不同厂商生产的设备可以兼容；同时对复用信道的频率间隔也做了严格的规范。为了符合WDM对信道的要求，要求EML的波长可调谐。目前，关于可调谐EML的公开报道有两种：1、美国Bell实验室/Lucent公司的弯曲波导可调谐EML的结构如图1所示，DFB激光器的波导采用3段弯曲结构，在波导上制作均匀的Bragg光栅，由于光栅的等效周期与波导的倾角有关(倾角小于6°)，通过改变3段电极的电流，就可以改变激光器的Bragg光栅的等效周期，从而实现了可调谐的EML。见IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.9，pp.563-565，1997，但该结构极复杂，生产成本高，而且非连续调谐的范围仅为4nm左右。2、法国电信的D.Delprat等在IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.9，pp.898-900，1997上报道的DBR激光器与电吸收调制器的单片集成，但该结构输出光功率小，需要集成一个半导体光放大器，增加了制作的复杂程度。另外，为满足未来全光网络的应用，信道变换、上路、下路等，需要波长可快速调谐的EML。法国电信的可调谐EML采用的结构是可调谐分布Bragg反射(DBR)激光器与EA调制器的单片集成，如图2所示。其调谐的机理就是利用改变DBR区的注入电流，该区的有效折射率随之改变，因此DBR激光器实现了激射波长可调谐。

本发明的目的是提供一种波长可调谐电吸收调制DFB激光器和制作方法。

本发明的主要特点是制作波长可调谐电吸收调制DFB激光器方法包括以下步骤：

1.在条形绝缘介质膜覆盖的磷化铟(InP)衬底上，采用低压金属有机化合物气相淀积(LP-MOCVD)技术生长铟镓砷磷(InGaAsP)多量子阱(MQW)，由于介质膜的影响，在衬底上同时生长出能带带隙宽度不同的两种MQW，带隙宽的作为EA调制器，窄的作为DFB激光器和调相区；

2.在DFB区域制作Bragg光栅，在EA调制器区制作减小光反馈的窗口，随后采用LP-MOCVD生长p-InP间隔层、p-InGaAsP刻蚀停止层、p-InP盖层、p⁺-InGaAs接触层；

3.在调相区、激光器区域、调制器区域制作宽度在2微米左右的脊型波导条形，采用氦离子注入，在调相区、激光器、调制器之间形成高隔离电阻区；

4.淀积绝缘介质膜，在调制器的压焊电极下淀积聚酰亚胺(polyimide)，并刻出调相区、激光器、调制器的电极窗口；

5.采用带胶剥离(lift-off)技术，制作调相区和激光器的电极、调制器的高频电极，以及条形金属铂/钛(Pt/Ti)合金作为薄膜加热器；

6.减薄，做N面电极；在器件的端面镀光学膜。

本发明的波长可调谐电吸收调制DFB激光器包括衬底，在衬底上有脊形波导尺寸相同的调制器、激光器、调相器，在脊形波导的侧面分别有调制器电极、加热器电极、调相器电极。

采用该方法制作的可调谐电吸收调制DFB激光器具有以下优点：加热器采用Pt/Ti/Au/W/Ni等合金，其阻值可以由不同材料的厚度、宽度、长度来决定，因此可根据要求方便地改变对加热器的阻值；EML的激射波长随加热器的功率基本是线性变化，因此易于把EML的波长调到ITU的信道；由于调相区位于DFB激光器的后端，因此光经端面反馈后，光程的变化是在普通单通型调相器的两倍，因此调相区的长度可以较短，可以减小调谐电流；在调相器区，由于折射率随载流子变化速度非常快，因此可实现波长快速调谐的EML；EA调制器采用脊型波导结构，寄生电容可以做的很小，因此可以达到10Gbit/s甚至更高的传输速率；该器件的结构简单，制作方法简单，调谐方法简单。

图1是现有技术波长可调谐电吸收调制DFB激光器示意图。图中1是弯曲波导DFB激光器的后(Ib)、中(Ic)、前(If)电极，2是EA调制器，3是出光面。

图2是现有技术波长可调谐电吸收调制DFB激光器示意图。图中1是EA调制器，2是Bragg反射器，3是有源增益区，4是聚酰亚胺，5是N型磷化铟，6是多量子阱，7是P型磷化铟，8是P型铟镓砷，9是金属。

图3是制作可调谐电吸收调制DFB激光器所采用的掩膜结构示意图；

图4是波长可调谐电吸收调制DFB激光器所采用的结构示意图。

下面结合附图详述本发明。我们制作的可调谐EML不仅在结构上与上述两种结构不同，而且调谐机理也不同。

首先，弯曲波导EML为实现高速调制，采用了掺铁高阻磷化铟(厚3微米)掩埋条形结构，不仅制作复杂、成本高，而且对可靠性有影响；而法国电信采用的是低介电常数聚酰亚胺掩埋脊型波导结构，其导热性差；

其次，弯曲波导EML为实现波长可调谐、减少不必要的传输损耗，需要精确的设计波导的尺寸和倾斜角度，对制作的容差要求严格，而且从试验的结果看，调谐范围仅为准连续的3.5纳米；法国电信的EML存在的问题较大，一是Bragg反射器的插损大，二是效率低，三是DBR激光器的输出光功率低。

我们的单脊条形可调谐EML可以克服上述困难。在结构上，采用单脊条形结构，即激光器、调制器、调相器及隔离区的结构尺寸完全一致；隔离采用氦离子注入，隔离电阻大于100千欧姆；为实现EAM的高频调制，在EAM的压焊电极下淀积聚酰亚胺(polyimide)，调制速率可高达10GHz；上述的结构特点保证了该器件在制作上具有采用的工艺简单、可重复性高、制作的容差大、外延次数少，因此较Lucent和法国电信的可调谐EML，该器件的成本低，可靠性高。

从调谐特性看：采用热调谐与相调谐结合的方法实现波长调谐。热调谐

利用改变激光器一侧的薄膜加热器的功率，改变激光器有源区的工作温度，实现了波长的调谐，虽然调谐速度慢，但有较大的调谐范围，而且波长随加热器的功率是近线性的变化关系，易于波长精确的调谐，且制作简单；相调谐通过改变EML的激光器一端的相位，可实现EML波长的快速调谐，适于波长快速切换应用。比较Lucent和法国电信的可调谐EML，我们的可调谐EML具有调谐范围大，器件结构简单，制作方法简便，调谐方法简单等优点。

本发明的一个实施例如下。如图4所示，在衬底1上有一脊形波导，在脊形波导的侧面分别有调制器电极15、激光器电极16、加热器电极17、调相器电极19。激光器11、调相器19、调制器10采用相同的脊型波导结构结构。激光器11的长度为200-600微米，调相器(19)的长度为50-300微米，调制器(10)的长度为100-300微米。加热器电阻为7-30欧姆。激光器(11)、调相器(19)、调制器(10)之间的间隔区长度为20-80微米。

下面结合附图描述本发明的方法。

如图3所示，在(001)晶向的磷化铟(InP)衬底1上，淀积一层厚度在50nm～400nm的介质膜2(SiO2，SiN_x，SiNO等)，并用稀释的氢氟酸(HF)刻蚀出固定周期间隔的一对介质膜条，如图3所示的图形，其中介质膜的条宽为5微米～50微米，介质膜条间的宽度为5微米～50微米，长度为250微米～800微米；介质膜条形的周期为300微米，纵向间隔为150微米～700微米。随后在介质膜掩盖的InP衬底上采用低压金属有机物化学气相淀积(LP-MOCVD)方法生长InP缓冲层3，晶格匹配的铟镓砷磷(InGaAsP)下限制层4(SCH，波长从1.0微米～1.25微米)，应变InGaAsP多量子阱5(strained-MQW，阱的波长从1.58微米～1.69微米，应力从0～1.5％，宽度从5nm～10nm；垒的波长从1.0微米～1.25微米，应力从0～-0.8％，宽度从5nm～10nm)，匹配的InGaAsP上SCH层6(波长从1.0微米～1.25微米)。采用全息曝光技术在激光器部分制作Bragg光栅7，随后采用MOCVD生长厚度在50nm～250nm之间的p型InP间隔层8、波长为1.2微米厚为5nm～30nm的刻蚀停止层9、厚度为1微米以上的p型InP盖层10、厚为0.1微米～0.5微米的高掺杂p型InGaAs接触层11。然后采用湿法(腐蚀液为1～10∶1∶1的H₂SO₄∶H₂O₂∶H₂O，1～10∶1的HCl∶H₂O)刻蚀出垂直侧面的激光器和EA调制器的脊型波导，刻蚀时间由p型InP盖层10和p型InGaAs接触层11的厚度决定；采用选择湿法刻蚀去掉激光器与EA调制器之间的p型InGaAs接触层，注入各种能量、各种计量的氦离子，以形成高阻区12；采用PECVD方法生长绝缘介质膜13；为减小EA调制器和调相器的电容，在调制器压焊电极下淀积聚酰亚胺14；随后采用带胶剥离技术溅射Ti/Pt/Au，形成EA调制器的电极15，激光器电极16，加热器压焊电极17，调相器电极19，然后再次采用带胶剥离技术制作条形的Pt/Ti合金，作为加热器电阻18；激光器、调制器、调相器的光波导采用相同的结构，通过一次光刻即可制得，大大简化了器件的制作难度，保证了集成器件各部分之间具有高的耦合效率。基片减薄后，制作Au/Ge/Ni作为器件的N型电极20；为减小EA调制器在出光端面的反馈，制作InP掩埋的窗口21；在EA调制器的出光端面镀减反射膜22，在调相器镀高反射膜23。最后，制作出如图2所示的可调谐电吸收调制DFB激光器。

Claims

1.一种新型波长可调谐电吸收调制DFB激光器，包括衬底，其特征在于在衬底上有一个直条脊形波导，在脊形波导的侧面分别有调制器电极、加热器电极、激光器电极、调相器电极。

2.按权利要求1所述的激光器，其特征在于脊形波导包括均采用单一脊型波导结构的激光器、调相器、调制器。

3.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述的激光器、调相器、调制器采用相同几何尺寸的结构。

4.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述激光器的长度为200-600微米。

5.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述调相器的长度为50-300微米。

6.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述调制器的长度为100-300微米。

7.按权利要求1所述的激光器，其特征在于所述加热器电阻位7-30欧姆。

8.按权利要求1或2所述的激光器，其特征在于激光器、调相器、调制器之间的隔离区长度为20-80微米。

9.一种新型波长可调谐吸收调制DFB激光器的制作方法，包括以下步骤：

1)、在淀积有特定介质膜图形的InP衬底上采用MOCVD生长InGaAsP多量子阱；

2)、采用特殊的掩膜，采用全息曝光技术在DFB激光器段制作Bragg光栅；

3)、采用MOCVD生长InP间隔层、刻蚀停止层、InP盖层和InGaAs接触层；

4)、在激光器、调制器、调相器区制作宽度均匀的单脊条型，选择刻蚀掉激光器、调制器、调相器之间的InGaAs接触层；

5)、在去掉接触层的区域和脊型波导的两侧选择注入氦离子，以形成高阻区；

6)、生长绝缘介质膜，采用带胶剥离技术制作激光器、调制器和调相器的电极，加热器的压焊点及条形加热电阻；

7)、减薄后，制作N面电极，并在EA端镀减反射膜，在调相器端镀高反射膜。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：采用有介质膜(SiO₂，SiNO或SiN_x)图形掩盖的衬底，利用掩膜对材料生长速度的影响，通过一次生长即可得到为制作该集成器件所需的具有不同能带带隙的材料；

11.根据权利要求9或10所述的制作方法，其特征在于介质膜的厚度为50nm-400nm，宽度为5μm-50μm。

12.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于InP间隔层的厚度为50nm-250nm。

13.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于刻蚀停止层的波长为1.1-1.6μm，厚度为5nm-30nm。

14.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于p型InP盖层的厚度至少1μm。

15.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于p型InGaAs接触层的厚度为0.1μm-0.5μm。

16.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于激光器、调制器、调相器的光波导采用相同几何尺寸的结构。

17.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：采用脊型波导结构，同时在调制器、调相器的压焊点下淀积低介电常数的物质。

18.根据权利要求17所述的制作方法，其特征在于所述的低介电常数的物质是聚酰亚胺。

19.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于：在激光器的脊型一侧淀积条形金属薄膜加热电阻，距离激光器的工作区距离很近。

20.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：在激光器的后端集成了一个相位调制器。

21.根据权利要求9或20所述的制作方法，其特征在于：调相器的寄生电容较小，调相器的折射率随注入载流子的变化速率较快。