CN1464603A - 多量子阱波导对接耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种多量子阱波导对接耦合方法,包括如下步骤:(1)在衬底上外延生长元器件A的多量子阱结构;(2)淀积一层介质膜后,掩膜光刻,腐蚀掉A台条以外的多量子阱结构;(3)再次外延元器件B的多量子阱结构;(4)掩膜光刻去掉A和B界面处生长质量不好的部分;(5)最后大面积外延优化设计的体材料,同时作为元器件A和B的上波导,以及它们之间的耦合波导。该方法可以消除直接对接出现的空洞和多量子阱弯曲现象,降低耦合损耗,提高出光功率,可应用于多种光电子集成器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导对接耦合方法,特别涉及一种光电子集成器件(如有源区为多量子阱的激光器、调制器、光放大器,滤波器和波长转换器等)中的多量子阱波导对接耦合方法。
背景技术
制作集成光电子器件,一个重要的问题就是要制作低损耗的光通道,使同一基片上不同元器件之间能有效地实现光的对接耦合。目前,光电子单片集成制作技术主要有如下几种方法:
1)选择区域生长(SAG)法,见IEEE J.Quantum Electron.,Vol.29,1993,pp.2088-2096和Electron.Lett.,Vol.32,1996,pp.109-111)。这种技术采用介质掩膜来加速某些区域的量子阱生长,达到利用一次外延同时生长出各元器件量子阱层结构的目的。缺点在于各部分的有源层结构不能分别优化,难以使各元器件的性能达到最佳。
2)同一有源区法(见Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.38.Part 2,pp.L524-L526,1999和IEEE Photonics Technology Letters,Vol.7,No.9,1995;)。这种技术的有源区层结构是完全一样的,不同元器件的形成是靠后续工艺例如光栅偏调、扩散诱导、离子注入等手段来实现的。因此各元器件之间的量子阱层结构没有差别,器件之间的耦合效率最高。但由于后续工艺的调节能力有限,元器件相互之间的制约因素太强,很难达到预期的效果。例如采用光栅偏调制作的激光器与调制器集成(EML)器件,就有增益小、阈值大、斜率效率低,插损大,输出功率小的缺点。用诱导或注入等手段进行能带调整的方法,其重复稳定性很低;
3)对接耦合(Butt-joint)方法(见IOOC’95,paper FB3-5,pp.62-63,和IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.5,pp.61-63,1993)。该方法可以分别对各元器件结构进行优化设计和生长,提高集成器件的整体优势。但是由于选择外延时介质膜边缘的增强效应,接口处再生长的多量子阱会发生弯曲和堆积,材料质量难以保证,元器件之间会产生较大的光散射,导致多量子阱波导之间的耦合效率降低,从而影响整个集成器件性能的提高。
发明内容
本发明的目的是提出一种多量子阱波导对接耦合方法,采用这种方法可以改善常规对接耦合(Butt-joint)掩膜外延时界面处的多量子阱弯曲导致的材料质量问题,使光以较低的界面损耗从一个量子阱波导传输到下一个量子阱波导;提高元器件间的耦合效率,提高整个集成模块的出光功率;该方法可以广泛应用于多种量子阱波导对接耦合制作中,例如电吸收调制激光器集成(EML)、激光器与模斑转换器(SSC)的集成以及调制器和SSC集成等集成光电子器件中。
本发明一种多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在衬底上外延生长元器件A的多量子阱结构;
(2)淀积一层介质膜后,掩膜光刻,腐蚀掉A台条以外的多量子阱结构,该介质膜是二氧化硅或氧化硅;
(3)再次外延元器件B的多量子阱结构;
(4)掩膜光刻去掉A和B界面处生长质量不好的部分;
(5)最后大面积外延优化设计的体材料,同时作为元器件A和B的上波导,以及它们之间的耦合波导。
其中所述的元器件A是激光器、光放大器或波长转换器,元器件B是调制器或模斑转换器;在元器件A和元器件B的多量子阱有源波导之间插入生长宽为10-100um的铟镓砷磷体材料作为光场模式转换区。
其中生长元器件A的多量子阱有源层时,在下波导和多量子阱之间生长一层厚度为10-50um的刻蚀阻止层。
其中元器件A的台条宽选取为为10-50um,长为200-800um,深度到刻蚀阻止层处。
其中采用本新型耦合方法制作电吸收调制激光器时,刻蚀阻止层为磷化铟,激光器和调制器之间的对接波导材料为厚度为100-150nm的铟镓砷磷,同时作为激光器和调制器的上波导层。
其中采用本新型耦合方法制作电吸收调制激光器时,所有的腐蚀方法均采用化学选择腐蚀,即用盐酸+水1-4∶1腐蚀磷化铟,用盐酸+双氧水+水1-3∶1-3∶1腐蚀铟镓砷磷四元层。
该方法的特点在于:充分利用了常规Butt-joint方法能分别优化多量子阱层结构的优点,并可改善其对接界面处的空洞和量子阱堆积弯曲现象,提高元器件之间的量子阱耦合效率,减少光损耗;而且这种方法具有普适性,可推广应用于多种量子阱波导的对接耦合制作中。
附图说明
为进一步说明本发明的内容,以下结合附图和具体实例对本发明作进一步的描述,其中:
图1是激光器台条示意图;
图2是外延调制器结构后的示意图;
图3是外延对接波导后的结构示意图;
图4是电吸收调制分布反馈半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
请结合参阅图1、图2及图3,本发明一种多量子阱波导对接耦合方法,包括如下步骤:
(1)在衬底1上外延生长元器件A的多量子阱结构,该多量子阱结构包括:下波导层2、磷化铟刻蚀阻止层3、多量子阱4、上波导层5和磷化铟盖层6;
(2)淀积一层介质膜后,掩膜光刻,腐蚀掉A台条以外的多量子阱结构,该介质膜是二氧化硅或氧化硅;
(3)再次外延元器件B的多量子阱结构;
(4)掩膜光刻去掉A和B界面处生长质量不好的部分;
(5)最后大面积外延优化设计的体材料,同时作为元器件A和B的上波导,以及它们之间的耦合波导。
其中所述的元器件A是激光器、光放大器或波长转换器,元器件B是调制器或模斑转换器;在元器件A和元器件B的多量子阱有源波导之间插入生长宽为10-100um的铟镓砷磷体材料作为光场模式转换区。
其中生长元器件A的多量子阱有源层时,在下波导和多量子阱之间生长一层厚度为10-50um的刻蚀阻止层。
其中元器件A的台条宽选取为为10-50um,长为200-800um,深度到刻蚀阻止层处。
其中采用本新型耦合方法制作电吸收调制激光器时,刻蚀阻止层为磷化铟,激光器和调制器之间的对接波导材料为厚度为100-150nm的铟镓砷磷,同时作为激光器和调制器的上波导层。
其中采用本新型耦合方法制作电吸收调制激光器时,所有的腐蚀方法均采用化学选择腐蚀,即用盐酸+水1-4∶1腐蚀磷化铟,用盐酸+双氧水+水1-3∶1-3∶1腐蚀铟镓砷磷四元层。
电吸收调制分布反馈半导体激光器(EML)是一种非常重要的光电子集成器件,它具有体积小、噪音小、功耗小和调制速率高等优点。目前,国际上最佳性能的EM1是通过激光器和调制器多量子阱对接生长制作出来的,但是激光器和调制器多量子阱直接对接质量不好限制了其出光功率。本发明可应用来改善对接质量,提高耦合效率,增强出光功率。
实施例
图4就是用波导对接耦合方法制作的EML结构示意图。具体的制作过程如下:
1、在n型磷化铟(InP)衬底1的(100)面上外延生长优化设计的激光器多量子阱有源结构,具体包括下波导层2、InP刻蚀阻止层3(厚度为10-50nm)、多量子阱(MQW)4、上波导5和InP盖层6;
2、采用热氧化CVD淀积一层厚度约为100nm的二氧化硅(SiO2)介质膜,掩膜光刻出激光器台条(见图1),条宽为10-50um,条长为200-800um,刻蚀到InP阻止层3处停止,激光器条端头侧钻较深;
3、外延生长调制器有源结构(MD-MQW),因为二氧化硅(SiO2)介质膜上不能结晶生长,故MD-MQW只能生长在激光器条以外的区域。图1显示了调制器剖面结构,具体包括调制器多量子阱7和InP盖层8。由于SiO2表面上的反应源向边缘区域扩散,使得SiO2靠近边缘处生长速率比平面生长区域快,故调制器多量子阱在靠近SiO2的地方发生弯曲,而且在激光器和调制器界面处出现空洞。
4、掩膜光刻出对接波导沟,去掉激光器和调制器界面处宽约10-70um的多量子阱,去掉激光器、调制器顶上的InP盖层6、8和对接波导沟里的InP刻蚀阻止层3,外延生长波导层9、10和11和InP盖层5,结构示意图如图3(只显示出条形);
5、在激光器区域的上波导层中制作光栅12,光刻出光窗口13,外延生长光限制层14和电接触层15;
6、光刻激光器和调制器山字形脊条16,掩膜光刻电隔离沟17,光刻调制器区深脊20,大面积淀积SiO218,在激光器条和调制器条形以外区域注入He离子作电隔离19;
7、在调制器区涂聚酰氩胺(polyimide)20,然后溅射激光器p面电极21和调制器p面高频电极22,接着蒸发n面电极23;
8、解理出单个地电吸收分布反馈激光器管芯,在调制器端面镀增透膜24,在激光器端面镀高反膜25;完成整个器件的制作。
Claims (6)
1、一种多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在衬底上外延生长元器件A的多量子阱结构;
(2)淀积一层介质膜后,掩膜光刻,腐蚀掉A台条以外的多量子阱结构,该介质膜是二氧化硅或氧化硅;
(3)再次外延元器件B的多量子阱结构;
(4)掩膜光刻去掉A和B界面处生长质量不好的部分;
(5)最后大面积外延优化设计的体材料,同时作为元器件A和B的上波导,以及它们之间的耦合波导。
2、根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,其中所述的元器件A是激光器、光放大器或波长转换器,元器件B是调制器或模斑转换器;在元器件A和元器件B的多量子阱有源波导之间插入生长宽为10-100um的铟镓砷磷体材料作为光场模式转换区。
3、根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,其中生长元器件A的多量子阱有源层时,在下波导和多量子阱之间生长一层厚度为10-50um的刻蚀阻止层。
4、根据权利要求1所述的多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,其中元器件A的台条宽选取为为10-50um,长为200-800um,深度到刻蚀阻止层处。
5、根据权利要求4所述的多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,其中采用本方法制作电吸收调制激光器时,刻蚀阻止层为磷化铟,激光器和调制器之间的对接波导材料为厚度为100-150nm的铟镓砷磷,同时作为激光器和调制器的上波导层。
6、根据权利要求4所述的多量子阱波导对接耦合方法,其特征在于,其中采用本方法制作电吸收调制激光器时,所有的腐蚀方法均采用化学选择腐蚀,即用盐酸+水1-4∶1腐蚀磷化铟,用盐酸+双氧水+水1-3∶1-3∶1腐蚀铟镓砷磷四元层。
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