CN1564407A

CN1564407A - 一种偏振无关半导体光放大器

Info

Publication number: CN1564407A
Application number: CN 200410012960
Authority: CN
Inventors: 马宏; 陈四海; 赖建军; 易新建
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-01-12

Abstract

本发明提供的一种偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层，张应变量子阱结构有源区、p型InP包层、p型InGaAs接触层，其顶层和底层附有电极，其特征在于：张应变有源区的材料为AlGaInAs。本发明在光放大器有源区采用AlGaInAs材料，能更有效地阻止电子穿越势垒层泄漏，改善器件的高温特性。本发明偏振灵敏度底，温度特性好，可以广泛应用于光网络、光子集成和光电子集成。

Description

一种偏振无关半导体光放大器

技术领域

本发明属于半导体光放大器技术领域，具体涉及一种偏振无关半导体光放大器。

背景技术

半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier-SOA)在光信息处理、光通信网络、生物医学光子学、光传感等领域具有广泛的应用前景，尤其在光纤通信系统中，半导体光放大器将起到越来越重要的作用。随着以互联网为代表的现代信息技术的飞速发展，对以光纤通信为主要骨架的现代通信网络的高速率、大容量提出了更高的要求。对于电子线路处理能力而言，当传输速率达到每秒数(Gbit/s)时，基本上接近其极限，因此为解决传输的高速率问题，全光网络是一个有效的解决途径，而光放大器是全光网络中的关键器件，无论是在长距离传输或是城域网、接入网中，为补偿光传输损耗，光放大器都是必不可少的重要器件；同时，面对未来越来越大的通信容量和网络管理灵活性的需求，基于波分复用(WDM)的全光路由和光交换、光开关技术的发展是刻不容缓的。光放大器在光子学中的地位宛如电子学中的三极管，在光信息技术中有着极为广泛的应用前景。在光传输系统中，可以作为前置放大、后置放大、线路放大；在光网络中，可以作为光开关、波长转换器、全光3R再生设备、信号放大的关键元件。

目前，主要有两种类型的光放大器：(1)半导体光放大器(SOA)和(2)掺铒光纤放大器(EDFA)。EDFA具有低躁声指数、高饱和输出功率、高增益、易与光纤耦合等优良特性而率先进入实用化，但是，EDFA仅能工作在1550nm波长窗口；而半导体光放大器因其内在固有的优越性可以在半导体激光器所能工作的任何波长范围稳定工作，并且易于与其它半导体光电子器件实现单片集成。同时，在仪器仪表、光传感、生物医学等领域，半导体光放大器作为光源、放大器等重要元件也有着越来越广泛的应用前景。高增益、高饱和输出功率、低噪声指数、偏振无关性以及良好的温度特性是光网络对半导体光放大器提出的基本要求，为提高半导体光放大器的性能并增加其与其它光电子器件集成的灵活性，偏振相关性是亟待解决的问题之一，半导体能带工程的发展使得偏振无关的增益可以通过采用应变量子阱结构来实现，同时也改善了半导体光放大器的其它性能。

绝大多数半导体激光器和放大器都是温度敏感器件，在半导体光放大器的实际应用中，尤其是其集成应用中，良好的温度特性具有极其重要的意义，InGaAsP-InP是目前较为成熟的制作半导体激光器和放大器的材料，但基于InGaAsP-InP材料系的半导体放大器温度特性较差，在实际光网络和器件集成应用中受到许多限制，这是因为在量子阱结构中，载流子主要是导带电子会穿越势垒层而泄漏到有源区之外，而电子穿越势垒层泄漏出去的几率与量子阱导带的势垒高度有关。一般地，势垒高度越大，载流子泄漏出去的几率越小，因此提高导带的势垒高度能够有效减小电子的泄漏，改善半导体激光器件的温度特性。因此，为了减小电子的泄漏，需要增加电子的限制势能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种偏振无关半导体光放大器，该放大器不仅偏振灵敏度底，而且温度特性好。

本发明提供的一种偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层，张应变量子阱结构有源区、p型InP包层、p型InGaAs接触层，其顶层和底层附有电极，其特征在于：张应变有源区的材料为AlGaInAs。

本发明采用AlGaInAs材料替换InGaAsP材料构成半0导体光放大器。对于AlGaInAs材料，不同的Al_yGa_xIn_1-x-yAs所组成的半导体异质结的导带不连续ΔE_c＝0.72ΔE_g；而In_l-xGa_xAs_yP_1-y组成的半导体异质结的导带不连续ΔE_c＝0.4ΔE_g。可见，AlGaInAs能更有效地阻止电子穿越势垒层泄漏，改善器件的高温特性。同时应变效应改善了量子阱的价带结构，减少了俄歇复合和价带间吸收，提高透明载流子浓度和量子效率，进一步改善器件温度特性。此外，AlGaInAs材料的另一优点是，与InGaAsP材料相比，同样带隙的AlGaInAs材料的折射率比InGaAsP材料的折射率大，使半导体激光器件不但具有大的电子限制，而且具有更大的光限制。正是由于AlGaInAs材料的上述特点，使其非常适合作为高温无致冷半导体激光器的材料。可见，相对于常规InGaAsP-InP偏振无关半导体光放大器，本发明在光放大器有源区采用AlGaInAs材料，能更有效地阻止电子穿越势垒层泄漏，改善器件的高温特性。本发明偏振灵敏度底，温度特性好，可以广泛应用于光网络、光子集成和光电子集成。

附图说明

图1为AlGaInAs-InP应变量子阱偏振无关半导体光放大器的材料结构示意图；

图2为200mA电流下光放大器的偏振解析增益谱；

图3为200mA电流下光放大器的偏振解析自发辐射(ASE)功率谱；

图4为不同温度下光放大器在1.55μm波长窗口增益与电流的关系；

图5为不同温度下光放大器偏振相关度与信号光波长的关系。

具体实施方式

下面以1.55μm偏振无关应变量子阱半导体光放大器的一个实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明包括InP衬底1，n型InP缓冲层2、张应变有源区3、p型脊型波导4和p型InGaAs接触层5。与通常光放大器一样，上述器件的顶部和底部还设有电极，材料为Ti/Pt/Au，在附图中没有标出。有源区3一般有三种结构：A.采用张应变AlGaInAs体材料结构，B.张应变多量子阱结构C.张应变垒多量子阱结构。

基于AlGaInAs-InP材料系的1.55μm偏振无关应变量子阱半导体光放大器的具体工艺实施过程如下所述。

(1)衬底表面清洗：衬底表面的氧化物和杂质对制备出的化合物半导体薄膜的附着力和薄膜的均匀性等性能都有很大影响，所以进行MOCVD材料生长前首先要严格清洗衬底表面清洗工艺针对不同的衬底而有所不同。如使用InP衬底，采用浓硫酸、去离子水和双氧水的混合溶液(H₂SO₄∶H₂O∶H₂O₂＝3∶1∶1)清洗后，去离子水漂洗，然后用氮气枪吹干，备用。

(2)MOCVD材料生长：材料生长用的设备是EMCORE公司生产的D-180型低压金属有机化学气相外延设备(LP-MOVPE)，生长时载有衬底片的托盘在反应腔内高速旋转以保证材料生长的大面积均匀性。生长用的III族源为三甲基铟(TMIn)和三甲基镓(TMGa)，V族源为砷烷(AsH₃)和磷烷(PH₃)，载气为经钯管扩散后的氢气。为了获得高质量的应变量子阱结构，首先必须摸索出一套优化的MOVPE材料生长参数，如V/III比、生长温度、反应腔压力、生长速率以及各种源的流量等。

对于AlGaInAs材料，氧杂质含量是决定外延材料质量的一个极其重要的因素，因此，如何有效地降低材料中的氧含量是MOCVD外延生长所必须关注的问题。我们摸索出了一套优化的AlGaInAs量子阱材料MOCVD生长参数，如表1所示。同时，AlGaInAs量子阱材料的生长必须考虑到III族和V族源的纯度、载气(氢气)的纯度和系统的气密性。为了保证生长出高质量的AlGaInAs应变量子阱材料，采用EPICHEM公司的外延纯级TMAl源，并在钯管后加装赛斯公司的吸附式纯化器，将H₂纯度从10^-6提高到10^-9，同时增设露点仪和微氧分析器进行实时监测。按照图1所示材料结构依次进行生长。

表1 AlGaInAs应变量子阱材料MOCVD生长主要工艺参数

生长参数优化值

反应腔压力(P) 70 Torr

生长温度(T) 700℃

V/III比＞300

生长速率(R) 0.28nm/s

III族源温度 TMIn：17℃/TMGa：-10℃/TMAl：0℃

(3)管芯制作：MOCVD材料生长完毕后， MOCVD材料生长完毕后，采用光刻、刻蚀、溅射、合金等工艺制作脊型波导半导体光放大器结构和电极。脊宽采用2.8μm，腔长为650μm；另外，为有效降低腔面反射率，采用7°斜腔以抑制腔面剩余反射率。

(4)半导体光放大器腔面减反(AR)膜工艺：在器件端面蒸镀TiO₂/SiO₂两层抗反膜系，工艺过程中采用剩余反射率实时监控装置，保证最终光放大器腔面剩余反射率在0.02％以下。

利用上述的工艺制作了基于AlGaInAs-InP材料系的1.55μm偏振无关张应变量子阱半导体光放大器，其n型InP缓冲层2的厚度为1.0μm，p型脊型波导4的厚度为1.5μm，p型InGaAs接触层5的厚度为0.3μm。张应变有源区3为张应变多量子阱结构，其阱材料为1.60μm波长AlGaInAs材料，阱厚10nm，张应变量为-0.40％；量子阱之间用12nm厚、波长为1.28μm的AlGaInAs匹配垒隔开。

如果有源区采用结构A或C，可采用以下参数制作：A.张应变AlGaInAs体材料结构，层厚为0.10μm，张应变量为-0.12％；C.张应变垒多量子阱结构，阱采用匹配或压应变阱，材料为AlGaInAs，垒采用张应变AlGaInAs材料，张应变量为-1.2％，阱和垒的厚度均为5nm。

上述阱采用匹配或压应变阱，材料为AlGaInAs，垒采用张应变AlGaInAs材料；采用目前较为成熟的分别限制异质结结构(SCH)；上下波导层均采用波长为1.28μm的AlGaInAs匹配材料，厚度分别为0.1μm和0.15μm。各附图均为采用有源区结构B所制作的器件的测试结果。另外，由于AlGaInAs材料极易被氧化，因此，在上波导层上方InP包层中加入20nm厚的四元InGaAsP材料作为腐蚀停止层；衬底为n型InP材料。

管芯制作完成后，采用带有微透镜的光纤组件进行双端耦合封装，根据实验，光纤与放大器管芯的耦合损耗约为单端-4dB，封装器件中带有热电致冷器、热敏电阻为器件提供温控，设定器件工作温度为25℃，对器件特性进行测试分析。图2所示为200mA偏置电流水平下测试所得的光放大器增益谱，测试中，保持输入信号功率为-25dBm；从图中可以看到，在1.54μm波长处，AlGaInAs-InP光放大器管芯的增益约为20dB，同时，整个波长范围内(1510nm～1590nm)的增益的偏振相关度始终保持在0.8dB以下，这说明，AlGaInAs-InP应变量子阱偏振无关半导体光放大器已被成功实现；图3为200mA时放大器的偏振解析自发辐射谱(ASE)，图中ASE谱波动值在0.3dB以下，证明腔面具有极低的剩余反射率(＜0.02％)，TE和TM模功率在整个波长范围内基本接近，另外从ASE谱可以看到其3dB带宽大于50nm，与增益谱基本一致。

前已述及，与常规的GaInAsP-InP材料系器件相比，AlGaInAs-InP材料系半导体激光器具有更好的温度特性，那么，对于AlGaInAs-InP半导体光放大器而言，其温度特性是否较常规的GaInAsP-InP器件有所改善是我们极为关心的一个问题，也是我们尝试研究制作AlGaInAs-InP材料系半导体光放大器的主要目的之一。为此，我们在不同温度下对研制的AlGaInAs-InP应变量子阱光放大器的特性进行测试分析。通过器件内部的半导体热电致冷器和热敏电阻，分别设定AlGaInAs-InP应变量子阱光放大器的工作温度为25℃、45℃和65℃，在不同的温度下测试器件在不同电流水平下的信号增益和偏振相关性。图4显示放大器在不同温度情况下，器件增益特性和偏置电流的关系曲线，保持输入信号功率为-25dBm，信号波长为1.55μm，图中清晰显示，器件增益随温度的升高而减小，当器件工作温度从25℃升高至65℃时，增益降低小于3dB；图5显示了在不同温度下器件偏振相关度的变化情况，测试过程中，保持偏置电流为200mA，图中可见，在不同的温度情况下，器件都能保持较小的偏振相关性，且随温度的升高，偏振相关度有减小的趋势。以上测试结果表明，我们成功实现了AlGaInAs-InP应变量子阱半导体光放大器，并表现出了较好的温度特性。通过有源区和器件结构的进一步优化设计和工艺水平的提高，有望进一步提高其增益及饱和特性。因此，AlGaInAs材料系具备制作高性能半导体光放大器的潜力。

应变量子阱结构是实现偏振无关半导体光放大器的有效手段，有两种应变类型可以引入半导体量子阱结构，压应变和张应变。压应变量子阱结构能增加电子和重空穴的复合几率，使光学增益更倾向于TE模，而张应变效应能将轻空穴提升到价带的带顶，有效提高TM模的增益，而且其能带结构也能得到优化，因此，为从材料本身解决半导体光放大器的偏振灵敏性的问题，必须引入张应变材料，我们采用的偏振无关半导体光放大器的有源区结构为：匹配垒+张应变阱的应变量子阱结构，TM、TE模的增益都由张应变阱提供，要使二者增益值和增益峰值波长相当，必须精确组合和控制阱宽和应变量。

Claims

1、一种偏振无关半导体光放大器，依次包括InP衬底、n型InP缓冲层，张应变量子阱结构有源区、p型InP包层、p型InGaAs接触层，其顶层和底层附有电极，其特征在于：张应变有源区的材料为AlGaInAs。