CN1431743A - 相移分布反馈型半导体激光二极管及其制造方法 - Google Patents

相移分布反馈型半导体激光二极管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种相移分布反馈型半导体激光二极管及其制造方法，包括，半导体基片(11，31)；在半导体基片上形成的光导层(13a、33a)在半导体基片和光导层之间形成的、具有相移区(12c，32c)的衍射光栅(12、32)；以及在光导层上形成的有源层(14、34)，κL+A·Δλ≥B其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；L为所述二极管的腔长；Δλ为失谐量，其定义为Δλ=λg－λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长；A为介于0.04nm－1～0.06nm－1之间的常数，B为介于3.0～5.0之间的常数。

Description

相移分布反馈型半导体激光二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及相移分布反馈(DFB)型半导体激光二极管(DFB-LD)及其制造方法。
背景技术
在高速、远程和大容量光纤通信中，DFB-LD被用做光源。在输出幅度受激励电路调制的直接调制的DFB-LD中，有源层内的载流子密度以及等效的折射系数会波动，这将引起谱线分布，称之为动态波长移位或波长噪音(chirp)。
为了抑制波长噪音，现有技术提出相移DFB-LD(参看：JP-A-2000-077774和JP-A-2000-277851)。这是，在波导管的衍射光栅处有λ/n相移(n＞4，更适宜地，n＝5～8)，其中λ为振荡波长。
通常，在DFB-LD中，布拉格偏移量Δβ波动与光输出的波动的相位相反。在这种情况下，注意，布拉格偏移量Δβ被定义为：
Δβ＝2neqπ(1/λ-1/λB)
其中，neq为当量折射系数；
λ为振荡波长；以及
λB为由衍射光栅的周期决定的布拉格波长，即，衍射光栅周期的两倍。
而且，假设相移值小于λ/4，例如，为λ/5～λ/8在这种情况下，布拉格偏移Δβ越大，镜象损失αm越小。注意布拉格偏移Δβ和镜象损失αm决定振荡模式。而且，镜象损失αm越小，光输出就越大。因此，当光输出被外部反射回光增大时，布拉格偏移Δβ减小，使得镜象损失αm增大，从而减小了光输出。与此相反，当光输出被外部反射回光减小时，布拉格偏移Δβ增大，使得镜象损失αm减小，从而增大了光输出。因此，通过外部反射回光对光输出进行负反馈控制，使得光输出的波动被抑制，这也就抑制了波长噪音。
注意JP-A-2000-277851提供了一种λ/5～λ/8相移DFB-LD，包括由可拉伸-应变阱层形成的多量阱(MQW)有源层，从而实现了上述的负反馈控制。
但是，在上述的现有工艺中，由于波长噪音特性和传输特性强烈依靠于DFB-LD的参数，不能改善波长噪音和传输特性。注意：波长噪音特性控制着传输特性。
发明内容
本发明的目的之一就是要提供能够改善波长噪音和传输特性的相移DFB-LD。
本发明的另一个目的就是要提供制造这种DFB-LD的方法。
根据本发明，在DFB-LD中，包括半导体基片；在半导体基片上形成的光导层；在半导体基片和光导层之间形成的、具有相移区的衍射光栅；以及在光导层上形成的有源层，
κL+A·Δλ≥B
其中，κ为衍射光栅的耦合系数，L为二极管的腔长，Δλ为失谐(detuning)量，可以表示为Δλ＝λg-λ，其中λg为二极管的增益峰波长；λ为二极管的振荡波长；A为介于0.04nm-1至0.06nm-1之间的常数，B是介于3.0至5.0之间的常数。
而且，在制造相移DFB-LD的方法中，形成了多个具有不同的标准化的耦合系数κL和不同失谐量Δλ的相移DFB-LD和样品。接着，测量与光纤相连的样品的功率损失(penalty)。然后，用样品的标准化的耦合系数κL和失谐量Δλ与功率损失作曲线图。之后，确定κL+A·Δλ＝B，其中A和B为常数，以便将图中的样品分为第一区和第二区，使得属于第一区的绝大部分样品的功率损失小于指定值，而属于第二区的绝大部分样品的功率损失不小于指定值。最后，形成一种新的相移DFB-LD，它的标准化的耦合系数κL和失谐量Δλ满足κL+A·Δλ≥B。
附图简介
从下文的说明，参照附图，将更清楚地了解本发明，其中：
图1A为施加给相移DFB-LD的直接调制信号的时序图；
图1B为图1A中的相移DFB-LD的振荡频率的时序图；
图1C为图1A中的相移DFB-LD的光输出功率的时序图；
图1D为接收到图1A中的相移DFB-LD的光输出功率的光纤的光输出功率时序图；
图2A为施加给相移DFB-LD的直接调制信号的时序图；
图2B为图2A中的相移DFB-LD的振荡频率的时序图；
图2C为图2A中的相移DFB-LD的光输出功率的时序图；
图2D为接收到图2A中的相移DFB-LD的光输出功率的光纤的光输出功率时序图；
图3为相移DFB-LD的失谐量-线宽强化因子特性图；
图4为说明制造依据本发明的相移DFB-LD方法的实施例的流程图；
图5A为图4的步骤403中样品的Δλ对κL的特性以及它们的功率损耗；
图5B为图4的步骤404中κL+A·Δλ＝B的直线图；
图5C为图4的步骤405中新DFB-LD的Δλ对κL特性曲线图；
图6为运用了图4中的方法的相移-DFB-LD的第一个实例局部剖开的透视图；
图7为图6的第一实例的样品Δλ对κL特性曲线图；
图8为运用了图4中的方法的相移-DFB-LD的第二个实例的采样Δλ对κL特性曲线图；
图9为运用了图4中的方法的相移-DFB-LD的第三个实例局部剖开的透视图；
图10为图9的第三实例的样品的Δλ对κL特性的曲线图；
图11为运用了图4中的方法的相移-DFB-LD的第四个实例的Δλ对κL特性的曲线图。
优选实施例说明
首先，将说明本发明的原理。
在相移DFB-LD中，光反射被衍射光栅分配并且相移区位于衍射光栅上。因此，沿轴线方向，光的强度分布并不均匀。从而，由于光被限定在相移区周围，相移区的电场较强。而且，由于与相移区的强光强相对应，相移区周围的载流子被感应发射所消耗，相移区的载流子密度相对较低，以致由于等离子体效应，增大了相移区的折射系数。这就被称为空间孔燃烧(SHB)现象。这样，当相移DFB-LD被直接调制时，相移区的折射系数会波动，从而有效地改变相移量。
通常，如果不考虑SHB现象，当直接调制信号从“0”变到“1”时，由于载流子被注入相移区，振荡波长增大。这就称为由于载流子注入效应而造成的振荡波长红移。另一方面，由于SHB现象增大了有效相移量，由于载流子注入效应的反效果，振荡波长减小。这就称为振荡波蓝移。
下面，将参照图1A、图1B、图1C和1D以及图2A、图2B、图2C和图2D，说明耦合系数κ和传输特性之间的关系。注意：耦合系数κ被定义为：
κ＝π·Δn/λB
其中，Δn为由衍射光栅的周期决定的折射系数之差。注意：可以用标准化的耦合系数κL代替耦合系数κ，其中L为腔长。
假设相移DFB-LD具有相对较小的耦合系数κ，即，相对较小的标准化耦合系数κL。在这种情况下，当图1A所示的直接调制信号被施加给相移DFB-LD时，相移DFB-LD的振荡频率从f0增加到f0‘，然后，由于载流子注入效应而减小，如图1B中用X(红移)所示。最后，由于SHB效应很弱，从而有效相移量较小，使振荡频率接近f1。在这种情况下，相移DFB-LD的光输出功率表现为张弛振荡，如图1C所示。因此，上述的红移X减小了通过光纤的传输脉冲的群速度，加宽了脉冲的波形，使得光纤的光输出功率需要很长时间才能达到稳定，如图1D所示。
接下来，假设相移DFB-LD具有相对较大的耦合系数κ，即，相对较大的标准化耦合系数κL。在这种情况下，当图2A所示的直接调制信号施加给相移DFB-LD时，相移DFB-LD的振荡频率从f0增加到f0′，然后，由于载流子注入效应振荡频率减小至f1′，在图2B中用X(红移)表示。最后，由于SHB效应很强，使得有效相移量较大，振荡频率增大到f1，在图2B中用Y(蓝移)表示。在这种情况下，相移DFB-LD的光输出功率也表现为张弛振荡，如图2C所示，与图1C所示的方式相同。因此，上述的红移X被蓝移Y抑制，这就增大了通过光纤的传输脉冲的群速度，压缩了脉冲的波形，使得光纤的光输出功率只需短时间就能达到稳定，如图2D所示。
因此，标准化耦合系数κL越大，传输特性就越好。
下面参照图3说明相移DFB-LD的失谐量Δλ和传输特性之间的关系。在图3中，失谐量Δλ被定义为：
Δλ＝λg-λ
其中，λg为增益峰波长。而且，线宽强化因子α被定义为：
α＝(dn/dN)/(dG/dN)
其中，G为增益系数；
N为注入的载流子密度；
n为折射系数。
也就是说，失谐量Δλ取决于线宽强化因子α。
如上所述，当相移DFB-LD被直接调制时，注入载流子的密度会波动，由于波长噪音使得振荡波长波动。因此，在远程传输中，当波长噪音更大时，波长漂移使传输带宽变窄。因此，波长噪音特性越好，传输特性就越好。顺便提一下，波长噪音特性取决于线宽强化因子α，而后者取决于失谐量Δλ，如图3所示。因此，波长噪音特性取决于失谐量Δλ。
这样，失谐量Δλ越小，传输特性就越好。
总之，标准化耦合系数κL越大并且失谐量Δλ越大，传输特性就越好。发明人发现对于更好的传输特性，两个参数(即κL和Δλ)之间有特殊的关系。
下面结合附图4说明依据本发明的相移DFB-LD的制造方法的实施例。
首先，在步骤401，形成具有不同标准化耦合系数κL和不同失谐量Δλ的相移DFB-LD的样品。
接着，在步骤402中，在步骤401中形成的每个样品与具有一定长度(如100公里)的光纤相连。然后，测量每个样品的功率损失。
接着，在步骤403中，如图5A所示，根据样品的功率损失画出样品的Δλ和κL值。在图5A中，●表示功率损失小于指定值(如1dB)的样品，○表示功率损失不小于指定值(如1dB)的样品。即，用●表示的样品具有好的传输特性；而用○表示的样品具有差的传输特性。
接着，在步骤404中，确定了如图5B所示的直线κL+A·Δλ＝B，它将用●表示的样品形成的区域与用○表示的样品形成的区域分开。
最后，在步骤405中，形成了满足条件：κL+A·Δλ≥B的新的相移DFB-LD。即，新的相移DFB-LD的Δλ和κL值位于图5C中的阴影区域内。
这样，如果新的相移DFB-LD恰好满足条件κL+A·Δλ≥B，新的相移DFB-LD将显现良好的传输特性。
接下来说明κL+A·Δλ＝B中的A和B的值。
如图6所示，第一个实例被应用于相移DFB-LD。
在图6中，通过电子束照射和光刻法，在n型InP基片11上形成衍射光栅12。在这种情况下，衍射光栅12包括具有与波长λ相对应的相同周期的区域12a和12b；以及之间没有衍射光栅结构的λ/n(4＜n＜16)相变平坦区12c。而且，通过金属有机气相外延(MOVPE)处理或类似方法，在衍射光栅12上形成了大约0.1微米厚的InGaAsP光导层13a；0.7％更多的压缩-应变InGaAsP MQW有源层14(包括7个周期的6纳米厚的阱层以及6个周期的10纳米厚的阻挡层)；以及0.05微米厚的InGaAsP光导层14。InGaAsP光导层13a、InGaAsPMQW有源层14以及InGaAsP光导层13b被逐级蚀刻，以形成一种被InP电流阻挡层15夹在中间的条形结构。而且，在它的上面形成了大约3微米厚的p型InP覆盖层和大约0.2微米厚的InGaAsP顶层17。另外，通过溅射，分别在的InGaAsP顶层17和InP基片11上形成了p型电极18a和n型电极18b，用于将电流注入MQW有源层14。最后，该装置被分成波导管的长度L，并分别在前侧面和后侧面上涂覆了反射率约为0.1％的防反射(AR)涂层19a和19b。
在图6的相移DFB-LD的一个样品中，如果衍射光栅12的蚀刻深度为0.013微米，耦合系数κ大约为65cm-1。在这种情况下，如果腔长L为450微米，标准化耦合系数κL为2.92。另一方面，MWQ有源层14的增益峰波长λg为——如1.58微米。在这种情况下，如果衍射光栅12的周期为240.0纳米，振荡波长则为1.55。这样，失谐量Δλ为0.03微米。在(Δλ，κL)＝(0.03微米，2.92)的状态下，当该样品在2.5Gb/S下被直接调制并要进行100公里的传输时，其中的功率损失小于1dB。KL值介于1.8到3.0之间并且Δλ的值介于5到50纳米之间的其它样品在2.5Gb/S下被直接调制并要进行100公里的传输时，功率损耗如图7所示。因此，A＝0.05nm-1，B＝3.0。
与相移DFB-LD的第一实例相同的第二实例被应用于相移DFB-LD，第一和第二实例的不同之处在于：InGaAsP MQW有源层14被改变为具有7％或更多的拉伸应变。在这种情况下，如图8所示，A＝0.05nm-1，B＝3.4。
如图9所示，将第三实例应用于DFB-LD上。
在图9中，用电子束照射或光刻法在n型InP基片31上形成衍射光栅32。在这种情况下，衍射光栅32包括具有与波长λ相对应的相同周期的区域32a和32b；以及它们之间的λ/n(4＜n＜16)相移平坦区32c。而且，通过金属有机气相外延(MOVPE)处理或类似方法，在衍射光栅32上形成了大约0.1微米厚的AlGaInAs光导层33a；1.0％或更多的压缩-应变AlGaInAs MQW有源层34(包括7个周期的6纳米厚的阱层以及6个周期的10纳米厚的阻挡层)；以及0.05微米厚的AlGaInAs光导层24。AlGaInAs光导层23a、AlGaInAsMQW有源层24以及AlGaInAs光导层23b被台面蚀刻，以形成一种被InP电流阻挡层35夹在中间的条形结构。而且，在它的上面形成了大约3微米厚的p型InP覆盖层和大约0.2微米厚的GaInAsP顶层37。另外，通过溅射工艺，分别在的InGaAsP顶层37和InP基片31上形成了p型电极38a和n型电极38b，用于将电流注入MQW有源层34。最后，该装置被分成波导管的长度L，并分别在前侧面和后侧面上涂覆了反射率约为0.1％的AR涂层39a和39b。
在图9中的相移DFB-LD中，如果衍射光栅32的蚀刻深度为0.025微米，耦合系数κ大约为55cm-1。在这种情况下，如果腔长L为450微米，标准化耦合系数κL为2.47。另一方面，MWQ有源层34的增益峰波长λg为——如1.57微米。在这种情况下，如果衍射光栅32的周期为240.0纳米，振荡波长λ则为1.55。这样，失谐量Δλ为0.02微米。在(Δλ，κL)＝(0.02微米，2.47)的状态下，当该样品在2.5Gb/S下被直接调制并要进行100公里的传输时，其中的功率损失小于1dB。KL值介于1.8到3.0之间并且Δλ的值介于5到50纳米之间的其它样品在2.5Gb/S下被直接调制并要进行100公里的传输时，测量其功率损耗。结果，如图10所示：A＝0.05nm-1，B＝3.0。
与相移DFB-LD的第三实例相同的第四实例被应用于相移DFB-LD，第四和第三实例的不同之处在于：InGaAsP MQW有源层34被改变为具有1.0％或更多的拉伸应变。在这种情况下，如图11所示，A＝0.05nm-1，B＝3.0。
在上述实例中，由于用压缩-或拉伸应变MQW结构构成了有源层，A＝0.05并且B＝3.4～3.8。但是，本发明还可应用于其它由大块、量子小线或量子点构成有源层。因此，如果对A和B的值给预定的容差，A优选地为0.04～0.06nm-1，B优选地为3.0～5.0。
如上文所描述的，根据本发明由于两个参数，即标准化耦合系数κL和失谐量Δλ，被定义为满足κL+A·Δλ≥B，其中：0.04nm-1≤A≤0.06nm-1；3.0≤B≤5.0，因此可以确实地改善波长噪音和传输特性。

Claims (17)

1.一种分布反馈型半导体激光二极管，包括：
半导体基片(11，31)；
在所述半导体基片上形成的光导层(13a、33a)；在所述半导体基片和所述光导层之间形成的、具有相移区(12c，32c)的衍射光栅(12、32)；以及
在光导层上形成的有源层(14、34)，其中
κL+A·Δλ≥B
其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；
L为所述二极管的腔长；
Δλ为失谐量，其定义为Δλ＝λg-λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长；
A为介于0.04nm-1～0.06nm-1之间的常数，B为介于3.0～5.0之间的常数。
2.如权利要求1所述的分布反馈型半导体激光二极管，其中所述相移区的相移量介于λ/4至λ/16之间。
3.如权利要求1所述的分布反馈型半导体激光二极管，其中所述相移区没有衍射光栅结构。
4.如权利要求1所述的分布反馈型半导体激光二极管，其中所述有源层包括多量子阱结构。
5.如权利要求4所述的分布反馈型半导体激光二极管，其中所述多量子阱结构为压缩应变的。
6.如权利要求4所述的分布反馈型半导体激光二极管，其中所述多量子阱结构为拉伸应变的。
7.一种分布反馈型半导体激光二极管，包括：
半导体基片(11)；
在所述半导体基片上形成的InGaAsP光导层(13a)；在所述半导体基片和所述InGaAsP光导层之间形成的、具有相移区(12c)的衍射光栅(12)；以及
在所述InGaAsP光导层上形成的0.7％或更多的压缩应变InGaAsP多量子阱有源层(14)，其中
κL+0.05·Δλ≥3.8
其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；
L为所述二极管的腔长；
Δλ为失谐量，其定义为Δλ＝λg-λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长。
8.一种分布反馈型半导体激光二极管，包括：
半导体基片(11)；
在所述半导体基片上形成的InGaAsP光导层(13a)  在所述半导体基片和所述InGaAsP光导层之间形成的、具有相移区(12c)的衍射光栅(12)；以及
在所述InGaAsP光导层上形成的0.7％或更多的拉伸应变InGaAsP多量子阱有源层(14)，其中
κL+0.05·Δλ≥3.4
其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；
L为所述二极管的腔长；
Δλ为失谐量，其定义为Δλ＝λg-λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长。
9.一种分布反馈型半导体激光二极管，包括：
半导体基片(31)；
在所述半导体基片上形成的AlGaInAs光导层(33a)；在所述半导体基片和所述AlGaInAs光导层之间形成的、具有相移区(32c)的衍射光栅(32)；以及
在所述AlGaInAs光导层上形成的1.0％或更多的压缩应变多量子阱AlGaInAs有源层(34)，其中
κL+0.05·Δλ≥3.4
其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；
L为所述二极管的腔长；
Δλ为失谐量，其定义为Δλ＝λg-λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长。
10.一种分布反馈型半导体激光二极管，包括：
半导体基片(31)；
在所述半导体基片上形成的AlGaInAs光导层(33a)；在所述半导体基片和所述AlGaInAs光导层之间形成的、具有相移区(32c)的衍射光栅(32)；以及
在所述AlGaInAs光导层上形成的1.0％或更多的拉伸应变多量子阱AlGaInAs有源层(34)，其中
κL+0.05·Δλ≥3.4
其中，κ为所述衍射光栅的耦合系数；
L为所述二极管的腔长；
Δλ为失谐量，其定义为Δλ＝λg-λ，其中，λg为所述二极管的增益峰波长，并且λ为所述二极管的振荡波长。
11.制造相移分布反馈型半导体激光二极管的方法，包括以下步骤：
形成多个具有不同标准化耦合系数κL和不同失谐量Δλ的相移分布反馈型半导体激光二极管的样品；
测量与光纤相连的所述样品的功率损失；
用所述样品的所述标准化的耦合系数κL和所述失谐量Δλ与所述功率损失作曲线图；
确定κL+A·Δλ＝B，其中A和B为常数，以便将所述图中的所述样品分为第一区和第二区，使得属于所述第一区的绝大部分所述样品的功率损失小于指定值，而属于所述第二区的绝大部分所述样品的功率损失不小于指定值；以及，
形成一种新的相移分布反馈型半导体激光二极管，它的标准化的耦合系数κL和失谐量Δλ满足κL+A·Δλ≥B。
12.如权利要求11所述的方法，其中A介于0.04nm-1～0.06nm-1，B介于3.0～5.0之间。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述相移分布反馈型半导体激光二极管包括位于衍射光栅(12，32)内的λ/n相移区(12c，32c)，其中λ为所述二极管的振荡波长，n为4至16。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述相移分布反馈型半导体激光二极管包括0.7％或更多压缩应变InGaAsP多量子阱有源层，A和B分别为0.05nm-1和3.8。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述相移分布反馈型半导体激光二极管包括0.7％或更多拉伸应变InGaAsP多量子阱有源层，A和B分别为0.05nm-1和3.4。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述相移分布反馈型半导体激光二极管包括1.0％或更多压缩应变AlGaInAs多量子阱有源层，A和B分别为0.05nm-1和3.0。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述相移分布反馈型半导体激光二极管包括1.0％或更多拉伸应变AlGaInAs多量子阱有源层，A和B分别为0.05nm-1和3.00。
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