CN1905298A - 具有集成的半导体激光源和集成的光隔离器的光器件 - Google Patents

Abstract

本发明的领域是包括集成的半导体激光器和集成的光隔离器的光器件的领域。这些器件主要用在数字通信领域。更特别地，本发明应用于所谓的吸收隔离器，其复数折射率是不可逆的并且依赖于光传播的方向。一般地，这种类型的集成光隔离器完成两个功能。一方面它们包括确保不可逆效应的磁光层(4)，以及另一方面包括确保激光束的放大的有源区(2)，通过电接触层(21)确保电荷载流子到有源区的注入。为了限制接触层(21)对激光束的传播的干扰效应，本发明提出，在有源区(2)之上方去除接触层，并且经由有源区的侧表面(24)以及上表面的边缘来确保电荷载流子的注入。

Description

具有集成的半导体激光源和集成的光隔离器的光器件

技术领域

本发明涉及包括集成的半导体激光发射源和集成的光隔离器的光器件。这些器件主要用在高速数字通信领域。

背景技术

已知通过从初始发射束发出并由激光器腔体外部的光表面反射的杂光束(stray optical beam)，会使激光源变得不稳定。之后在文中，包括激光器类型的光放大器的发光源将被称为激光源或激光器。为了减少该现象，在激光器的出口处布置一个光隔离器。其功能在于允许穿过从激光器发出的光并且消除来自相反方向的任何杂光。

基本上，光隔离器执行使得可以确保该功能的不可逆光效应。所熟知是法拉第(Faraday)效应。经受外部磁场，特定的所谓的磁光材料根据光传播方向而在不同的方向旋转光的偏振平面。因而，通过将这种材料放置在适当地布置的偏振器之间，可以传送在第一方向上传播的光并且阻止在相反方向上的光。这些器件非常不适于包括半导体激光器的光器件，原因是它们需要特定数目的元件，而这些元件难以集成到其尺寸为毫米量级的器件中。

最终，可以使用具有不可逆吸收的光隔离器。已知光折射率(optical index)是复数。它包括实部和虚部，其与材料的吸收成比例。但是，在存在磁场的情况下，特定铁磁型材料的光折射率依赖于光传播方向。图1呈现了这种材料的横向磁TM光模的光折射率的实部和虚部根据光传播方向的变化。在不存在磁场的情况下，材料10的光折射率等于n。在存在由黑箭头符号表示的磁场的情况下，根据由直条箭头符号表示的光传播方向，折射率n在传播的第一方向上变为n_↑，而在相反方向上变为n_↓。折射率n_↑和n_↓的两个虚部I.P.之间的差给出隔离比I.R.。因此，根据其传播方向，光束将或多或少地被这种材料吸收。

后者隔离器非常适于与包括半导体激光源的光器件集成。在这种情况下，它们一般与SOA(半导体光放大器(Semiconductor OpticalAmplifier))型的放大结构集成。因而，由SOA提供的光放大在传播的第一方向上补偿材料的较弱吸收。在传播的相反方向上，吸收保持主导地位并衰减光束以避免返回。

图2、图3和图4代表这种类型的器件。图2是纵向截面图，图3和图4代表横向截面图。该结构基本上包括两个部分，一方面是半导体激光器10，另一方面是吸收光隔离器20，整个组件位于公共衬底1上。

半导体激光器10是所谓的掩埋条结构，也称为BRS(掩埋脊条(Buried Ridge Stripe))结构。图3代表这种结构的截面图。它基本上包括：

·公共衬底1，由n掺杂半导体材料制成。该第一衬底一般由InP制成；

·有源部分2，由矩形横截面的条形成，该有源部分的下表面位于第一衬底1上。有源部分的光折射率比围绕它的层的光折射率要大。它是微米或几个微米量级的很小的部分，并且一般由GaInAsP或者GaInAlAs或者GaInNAs制成；

·由p掺杂半导体材料制成的层3。该层也由InP制成，并且它完全覆盖有源部分2的侧表面和上表面。其厚度为几个微米，典型地为2或3个微米；

·未在图中示出的布置在第一衬底1下方的电接触层，以及布置在第二衬底3上的上部电接触层11。这些层一般由InP/InGaAs制成。电极在这些接触层上布置。它们传送激光器操作所需的电流。一般地，电极由金铂合金制成。

·一般在有源区的任一侧上，在p掺杂层中执行质子的植入，以改进电限制。在各图中由符号+表示该植入。

该配置使得可以在同时确保：

·第一衬底的材料和第二衬底的材料之间的禁带宽度的差异足够时对注入到条形部分中的载流子的限制；

·第一衬底的材料和第二衬底的材料之间的光折射率的差异也足够时对光的双向传导。

这些激光器一般在邻近1.3微米或1.5微米的波长的近红外发光。可以添加额外层以执行其他功能。特别地，通过在有源层上添加光栅，可以产生所谓的分布式反馈DFB激光器。

光隔离器20也是所谓的掩埋条形结构。图4代表这种结构的截面图。它基本上并且相继地包括：

·衬底1，由n掺杂InP制成的半导体材料制成，与激光器共有；

·有源部分2，也与激光器共有；

·由p掺杂半导体材料制成的层3。但是也与激光器共有的该层在隔离器部分中具有更小的厚度，从而磁场非常接近于有源层。其厚度不超过十分之几微米；

·未在图中示出的布置在第一衬底1下方的电接触层，以及布置在第二衬底3上的上部电接触层21。电极在这些接触层上布置。该电极传送激光器辐射的放大所需的电流；

·铁磁材料层4，例如可以由铁钴合金制成。通过图4的箭头以及图2的包括中心叉号的圆圈符号表示材料的磁化。该层在同时确保电接触和有源层的磁化。

在层1中的质子植入由符号+来表示。

由半导体激光器所发出的光束传播通过对于激光器和隔离器共有的有源层，并且传播通过电接触层。这由图2中的直条箭头以及图3和图4中的一系列微弱线(faint-line)同中心椭圆表示。

该配置使得可以在同时确保从半导体激光器发出的光束的放大以及来自与传播方向相反的方向上的杂光的吸收，如图2中的直条箭头所示。箭头的长度表示光束的幅度。利用这种配置，可以确保在1至2毫米量级的光隔离器长度的情况下大于25dB的隔离比率。

但是，这种配置表现出几个主要的缺陷。电接触层非常接近于有源区，它干扰光模的传播，并且引起显著的光损耗。不对电接触的结构进行优化，会发生显著的电损耗，引起局部变热。最后，隔离器的操作所需的衬底3的较小厚度造成难以控制的技术制造问题。

为了解决这些困难，当然可以改变该结构的配置。在这种情况下，不存在将BRS激光器和光隔离器在同时集成到一个单一元件中的可能性。而且这种结构具有较低的性能。

发明内容

本发明的目的是一种光隔离器，其在保留允许激光器-隔离器组件的集成的BRS结构的同时不表现出上述缺陷。

更明确地，本发明旨在一种光电器件，包括至少一个SOA型的放大结构，其包括光隔离器，所述结构至少并且相继地包括：

·衬底，由n掺杂半导体材料制成；

·条形掩埋有源区，包括与该衬底相接触的下表面、上表面和两个侧表面；

·p掺杂垂直限制层；

·电接触层；以及

·磁光材料层，

其特征在于，至少位于有源区上表面之上方的该结构的上部，在至少等于所述有源区的尺寸的中心区域中无接触层。

由此，主要经由有源区的侧表面或上表面的侧边缘，发生来自接触层的到有源区的电流的注入。

对于每个特定结构的情况，显然，可以通过模拟以及经验性地确定中心区域的尺寸的最佳值。

有利地，接触层包括位于有源区的上表面之上方的至少两个主要部分，其围绕无接触层的该中心区域，所述中心区域的宽度等于有源区宽度的约1.5倍。

有利地，在磁光材料层之上方布置有传导层。

有利地，该器件进一步包括一个部分，其包括具有半导体激光器的发射源，该半导体激光器具有BRS型掩埋条，所述部分包括与放大结构共有的至少一个衬底、有源层和垂直限制层，以这样的方式光隔离器确保所述激光器的隔离。该激光器可以是所谓的分布式反馈DFB型，并且然后包括布置在有源层上或在有源层附近的光栅。

有利地，衬底的材料和限制层的材料是InP，有源区包括至少一个所谓的MQW多量子阱结构，磁光层的材料由Fe/Co制成，接触层的材料是Pt/InGaAs，以及传导层的材料是金。

有利地，在光隔离层的区域中，位于有源区之上方的限制层的厚度约等于0.3微米。

本发明还涉及一种制造根据本发明的光电器件的方法，该光电器件包括至少一个SOA型放大结构，该结构包括光隔离器，其特征在于，该制造方法包括至少以下两个步骤：

·步骤1：在对应于光隔离器的结构的部分上制造接触层；

·步骤2：去除位于有源区的上表面之上方的结构的区域中的接触层，通过化学蚀刻或者通过RIE(反应离子蚀刻)来执行该方法的该步骤。

附图说明

通过阅读以下借助于附图进行的非限定性描述，将更好地理解本发明并且将发现其他优点，在附图中：

图1表示根据光传播方向磁光材料的光折射率的变化；

图2表示根据现有技术的包括隔离器的光电器件的纵向截面图；

图3表示根据现有技术的包括隔离器的光电器件的第一横向截面图；

图4表示根据现有技术的包括隔离器的光电器件的第二横向截面图；

图5表示根据本发明的包括隔离器的光电器件的横向截面图。

具体实施方式

如所见，根据现有技术的具有光隔离器的结构的主要缺陷之一在于，电接触层非常接近于有源区，从而磁光材料非常接近于所述有源区。一般采用该配置，因为这使得可以容易地将电流注入到有源区中，正如表示电流注入的图4的垂直实心箭头所示。

本发明的核心在于从磁光装置去耦合电流注入装置，该电流注入装置使得可以确保SOA的放大，该磁光装置使得可以确保隔离器的不可逆效应。为此，这样布置电接触层，使得经由有源层的侧表面以及上表面的边缘，发生电荷载流子的注入。因而在同时确保放大和隔离，而不具有根据现有技术的器件的缺陷。由申请人执行的试验表明，经由侧表面倾斜地电流注入表现出与垂直于有源区的上表面的常规注入类似的性能。

作为非限定性例子，图5表示根据本发明的包括隔离器的光电器件的部分横向截面图。该器件旨在邻近1.3微米或1.5微米的波长的近红外操作。

该隔离器相继地包括：

·衬底1，由n掺杂半导体材料制成，该半导体材料可以由InP制成；

·条形掩埋有源区2，包括与该衬底相接触的下表面22、上表面23和两个侧表面24，该有源区可以包括至少一个所谓的MQW多量子阱结构，其宽度为1到2个微米的量级，并且其厚度为十分之几微米。

·p掺杂垂直限制层3。该层覆盖整个有源区。其在有源区之上方的厚度减小到十分之几微米。它也由InP制成。

·电接触层21。正如图5所示，该层在有源区的上表面之上方中断这样一个宽度，其大约等于有源区宽度的1.5倍。该接触层例如由Pt/InGaAs制成。正如图5的弯曲实心箭头所示，来自所述接触层的到有源区的电流注入主要经由有源区2的侧表面24以及上表面23的边缘发生。

·磁光材料层4，至少覆盖其位于有源区上表面之上方的部分垂直限制层。磁光层的材料可由Fe/Co合金制成。铁的百分比可以在10％到50％之间，钴的百分比可以在50％到90％之间。该层被磁化，正如通过包括中心叉号的圆圈所示。

·传导材料层5，形成电极。该层与电接触层21相接触。它可以由金制成。

如在前面的图中那样，通过符号+表示层中质子的植入。

当然，该结构一般在同一衬底1上包括一个部分，该部分包括具有半导体激光器的发射源，该半导体激光器包括BRS型掩埋条，该部分包括与SOA放大结构共有的至少一个有源层和p掺杂垂直限制层，以这样的方式该光隔离器确保所述激光器的隔离。在激光器部分中限制层比较厚，并且典型地等于2到3个微米。激光源可以为分布式反馈DFB型，并且然后包括布置在有源层上的光栅。

根据本发明的光电器件的制造方法没有造成任何具体的技术问题(其中该光电器件包括至少一个SOA型的放大结构，其中该放大结构包括光隔离器)，并且可以在蚀刻操作之前通过外延生长的方法常规地执行该方法。磁光材料的淀积可以通过喷涂来执行。

该制造方法包括至少以下两个步骤：

·步骤1：在对应于光隔离器的结构的部分上制造接触层；

·步骤2：去除位于有源区的上表面之上方的结构的区域中的接触层，通过化学蚀刻或离子蚀刻常规地执行该方法的该步骤。

Claims (8)

1.一种光电器件，包括至少一个SOA型的放大结构，该放大结构包括光隔离器(20)，所述结构至少并且相继地包括：

·衬底(1)，由n掺杂半导体材料制成；

·条形掩埋有源区(2)，包括与所述衬底相接触的下表面(22)、上表面(23)和两个侧表面(24)；

·p掺杂垂直限制层(3)；

·电接触层(21)；和

·磁光材料层(4)，

其特征在于，至少在位于所述有源区(2)的上表面(23)之上方的所述结构的上部，在至少等于所述有源区(2)的尺寸的中心区域中无接触层。

2.根据权利要求1的光电器件，其特征在于，所述接触层包括位于所述有源区(2)的上表面之上方的至少两个主要部分，其围绕无接触层的所述中心区域，所述中心区域的宽度约等于有源区的宽度的1.5倍。

3.根据权利要求1的光电器件，其特征在于，传导层(5)布置在所述磁光材料层(4)之上方。

4.根据权利要求1的光电器件，其特征在于，所述器件进一步包括一个部分，其包括具有半导体激光器(10)的发射源，所述半导体激光器(10)具有BRS型掩埋条，所述部分包括与所述放大结构共有的至少一个衬底(1)、有源区(2)和p掺杂垂直限制层(3)，以这样的方式所述光隔离器确保所述激光器的隔离。

5.根据前述权利要求之一的光电器件，其特征在于，所述有源区包括至少一个所谓的MQW多量子阱结构。

6.根据前述权利要求之一的光电器件，其特征在于，位于所述光隔离器的区域中的所述有源区上方的所述限制层的厚度约等于0.3微米。

7.一种制造根据前述权利要求之一的光电器件的方法，其中所述光电器件包括至少一个SOA型的放大结构，所述放大结构包括光隔离器，其特征在于，所述制造方法至少包括以下两个步骤：

·步骤1：在对应于所述光隔离器的结构的部分上，制造接触层，

·步骤2：去除位于有源区的上表面之上方的所述结构的区域中的所述接触层。

8.根据权利要求7的制造方法，其特征在于，通过化学蚀刻或离子蚀刻执行所述方法的步骤2。

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