CN2904401Y - 高线性度AlGaInAs BH激光器 - Google Patents
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Abstract
高线性度AlGaInAs BH激光器，涉及一种广泛应用于通讯等的电光转换器件。工作腔体和出光面、反射面组成谐振腔，工作腔体内的上SCH波导层、下波导层和AlGaInAs/InP工作有源层形成分别限制结构及增益材料部分，P型正极欧姆接触层和N型负极欧姆接触层构成电流注入的电极通道，工作有源层两边有脊形波导，脊形波导由P－InP层和N－InP层组成的测向折射率导引和P－N－P漏电流限制结构掩埋，谐振腔有外置大双沟。本实用新型采用双沟掩埋结构，脊形波导将光场模限制在掩埋有源区内，同时DCPBH结构可以减小有源区的尺寸加强侧模控制；在侧向采用p－n－p晶闸管结构，可以较好地进行电流限制；本实用新型具有小的阈值电流、近圆光斑、稳定的模式和热阻，可在室温情况下稳定、连续工作30年以上。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种广泛应用于通讯、CATV系统、光电技术的电光转换器件。
背景技术
传统BH结构的激光器一般采用InGaAsP/InP材料系，InGaAsP/InP材料量子阱结构中导带偏移ΔEC＝0.4ΔEg，这样只能具有较小的电子限制势，当激光器在高温条件或高载流子密度的情况下，容易发生载流子穿越势垒层发生泄漏，以及因为电子无法限制在量子阱内而发生非辐射复合、降低内量子效率等效应，将造成激光器性能下降；InGaAsP/InP材料的材料势垒和势阱之间的带隙和折射率都相对较小，这使InGaAsP/InP材料激光器无法具有较大的光场限制因子，从而降低了整体量子效率；一般InGaAsP/InP材料激光器特征温度较低，其阈值电流具有更强的温度依赖性。
迄今为此，对于AlGaInAs/InP这种材料系所采用的器件结构一般是RWG结构，主要原因是Al材料的活性太强，容易与空气接触后产生氧化层，这将在工艺制作中带来非常大的难度，而且这些氧化层如果存在于器件中也会影响性能和可靠性。但因为RWG结构是弱折射率波导，而在有源层侧向，既没有有效的光场限制，也没有注入电流的限制，同时因为泄漏电流无法控制，所以在阈值电流、远场特性以及可靠性等方面都没有BH结构好。
发明内容
本实用新型的目的旨在提供一种能耗小、可节能50％、变速快的高线性度AlGaInAs BH激光器。
本实用新型目的的实现方式为，高线性度AlGaInAs BH激光器，工作腔体和出光面1、反射面2组成谐振腔，工作腔体内的上SCH波导层4、下波导层6和AlGaInAs/InP工作有源层5形成分别限制结构及增益材料部分，P型正极欧姆接触层3和N型负极欧姆接触层7构成电流注入的电极通道，工作有源层5两边有脊形波导9，脊形波导9由P-InP层11和N-InP层10组成的测向折射率导引和P-N-P漏电流限制结构掩埋，谐振腔有外置大双沟8。
本实用新型利用Al元素的优良热特性实现较大温度范围内的正常工作以及无制冷条件的工作；在光学波导和载流子限制方面，采用双沟掩埋(DCPBH)结构：脊形波导9具有矩形波导的特性，将光场模限制在掩埋有源区内，同时DCPBH结构可以减小有源区的尺寸，来进行侧模控制；P-InP层11和N-InP层10在侧向采用p-n-p晶闸管结构，可以较好地进行电流限制，同时形成侧向的折射率导引的波导效果，因此本实用新型具有更小的阈值电流、近圆光斑、稳定的模式和更小的热阻。本实用新型有好的载流子限制效果、电流注入效率高，工作可靠性、电流浪涌和抗ESD冲击等各项指标上均明显好于RWG结构，可以在室温情况下稳定、连续工作30年以上，成为国际高端产品的主要选择。
附图说明
图1A、B是本实用新型的结构主视图、侧视图
图2a、b是AlGaInAs/InP材料系、InGaAsP/InP材料系的能带结构图
图3是高低温P-I-V性能比较图
图4是长期Burn-in试验结果图
具体实施方式
参照图1，本实用新型工作腔体和出光面1、反射面2组成谐振腔，工作腔体内的上SCH波导层4、下波导层6和AlGaInAs/InP工作有源层5形成分别限制结构及增益材料部分，P型正极欧姆接触层3和N型负极欧姆接触层7构成电流注入的电极通道，工作有源层5两边有脊形波导9，脊形波导9由P-InP层11和N-InP层10组成的测向折射率导引和P-N-P漏电流限制结构掩埋，谐振腔有外置大双沟8，外置大双沟8是进一步去掉漏电流的主要通道，并加大了激光器的散热面积，以提高高温工作表现。
谐振腔由自然解理面镀膜形成，F-P激光器芯片在出光面镀33％保护膜，背光面镀85～90％高反射膜，DFB激光器芯片在出光面镀1％增透膜，背光面镀85～90％高反射膜。
根据器件大电流、高功率的工作环境，以及AlGaInAs/InP材料系的特点，工作有源层5采用1-1.2％的压应变量子阱和0.15-0.4％的张应变的AlGaInAs垒层材料构成应变补偿的有源层，材料系为AlGaInAs，量子阱周期数为6-7个。
上SCH波导层4、下波导层6采用AlGaInAs到AlInAs渐变限制层结构(GRIN)，外侧再用与InP匹配的AlInAs作过渡层，其他为InP材料。
P型正极欧姆接触层3采用1-2×1019cm-3P型高掺杂的InGaAs顶层作为欧姆接触层，在InGaAs顶层和InP之间插入InGaAsP四元层，可以减少异质结界面空穴的堆积，以达到减少器件串联电阻和提高器件调制速率的目的；同时由于器件的寄生电容将限制激光器的调制带宽，而寄生电容的容量与电极的有效面积成正比，所以考虑采用图形电极减小有效电极面积，提高激光器的调制速率。
脊形波导9具有矩形波导将光场模限制在掩埋有源区内，同时DCPBH结构可以通过减小有源区的尺寸来进行侧模控制，脊形波导9深度为1.3-1.5微米，宽为1.1-1.5微米。P-InP 11层和N-InP 10层侧向采用p-n-p晶闸管结构，可以较好地进行电流限制，同时形成侧向的折射率导引的波导效果，因此本实用新型将具有更小的阈值电流、近圆光斑、稳定的模式和更小的热阻。P-InP 1-11层掺杂浓度为6-7×1017cm-3，厚度0.6-0.7微米，N-InP 1-10层掺杂浓度为7-8×1017cm-3，厚度0.8-0.9微米。
参照图2a、b，本实用新型采用的是AlGaInAs/InP材料系，以达到更好的载流子限制效果、提高电流注入效率，并同时利用Al元素的优良热特性实现较大温度范围内的正常工作以及无制冷条件的工作。在多量子阱材料中，电子注入后存在于导带17，并部分进入量子阱13中，由于量子阱13和垒层12的势垒限制作用，电子将较多的参与直接辐射复合；空穴则存在于价带18中，并绝大部分进入相应的限制量子阱中并参与直接辐射复合。由于载流子有效质量不同，电子的有效质量小于空穴的有效质量，活性强于空穴，所以激光器在高温条件或高载流子密度的情况下，导带中容易发生载流子穿越势垒层产生泄漏并造成激光器性能下降，这就需要增加电子的限制势能。
AlGaInAs/InP激光器的导带17能量偏移ΔEC＝0.72ΔEg，高于InGaAsP/InP材料量子阱结构中导带17’能量偏移ΔEC＝0.4ΔEg，这样AlGaInAs材料中活性更强的电子将更好地束缚在导带17中，InGaAsP材料中则是活性不强的空穴将在价带18’中得到更好的限制，对辐射复合效率没有太多帮助；面且AlGaInAs/InP材料势垒和势阱之间的带隙也比InGaAsP/InP材料的大；同时在同样带隙下AlGaInAs/InP材料折射率大于InGaAsP/InP材料的折射率，这使AlGaInAs/InP材料激光器可以具有较大的光场限制因子。
AlGaInAs/InP激光器中采用InP衬底16’，有源层两侧是AlInAs的外波导层15和由AlInAs逐渐梯度过渡为AlGaInAs的内波导层14，量子阱13一般采用0.6～1.0％的压应变材料，厚度在5～8nm，垒层12采用0.2～0.45％的张应变材料，厚度在7～10nm。
InGaAsP/InP激光器中采用InP衬底16，有源层两侧是长波长的外波导层15’和较短波长的的内波导层14’，量子阱13’一般采用0.8～1.0％的压应变材料，厚度在5～7nm，垒层12’采用0.2～0.45％的张应变材料，厚度在8～10nm。
参照图3，图3中从上至下的线条显示出本实用新型在25～120℃工作温度范围、0～60mA扫描电流范围内测试的出光功率与电流、电压的曲线(P-I-V)。结果表明：本实用新型90℃/25℃的阈值电流(刚出光时的电流值)之比是2.2倍，所以25～85℃工作温度范围内，高温阈值变化小于2.5倍，特征温度T0在25～85℃阶段的计算值大于80K；出光功率随电流的变化率，即斜率效率90℃为0.26mW/mA，25℃为0.32mW/mA，两者之比是0.81倍，说明90℃比25℃时斜率效率的下降小于1.0dB。
参照图4，本实用新型由于结构复杂，同时工作时有谐振腔损伤、芯片工作温度高和有源材料自然退化等因素，其可靠性最重要的指标是依靠外推寿命的数据。依据Belcore GR-468-CORE和美军标相关实验方法，在80℃，100mA条件下短期高温工作情况来推算出室温条件下长期工作的数据，以50％失效比例和经验公式τ∝exp(Ed/KBT)，再带入激活能Ed的相应数值(可靠性较差的Ed数值为0.1eV，可靠性越好Ed数值越高即1.1eV以上)。
图4中各实验样品的阈值变化曲线结果所示，在4000小时内没有发生样品退化，带入Ed＝0.6eV计算，室温连续工作实践将达到30万小时，本试验已进行到5000小时，仍没有发现样品退化，最后的中止寿命将超过15万小时。
本实用新型高温方面达到了斜率效率变化为-1.0dB的水平；在抗ESD和电流浪涌等方面都具有世界同类产品的水平，根据寿命试验结果，可以在室温情况下稳定、连续工作30年以上，满足世界一流产品的要求。
本实用新型的光电特性如下表所示：
| 参数 | 符号 | 测试条件 | 单位 | 备注 | 一般要求 |
| 阈值电流 | Ith | Tc＝25℃/85℃ | mA | ≤15 | |
| 阈值电流变化 | ΔIth | Tc＝25℃/85℃ | ≤2.5 | ||
| 边模抑制比 | SMSR | Ith+20mA | dB | DFB测试 | ≥30 |
| 微分效率 | SE | P＝1～5mW 25℃ | mW/mA | ≥0.3 | |
| 微分效率变化 | SEL | P＝1～5mW 25～85℃ | dB | ≤1.0 | |
| 激射波长 | λ | Ith+20mA | nm | ±20 | |
| 谱宽 | Δλ | Ith+20mA-20dB | nm | ≤2 | |
| 输出光功率 | Po | CW Kink free | mW | ≥6 | |
| 跟踪误差 | TE | Im hold/-25～85℃ | dB | ≤1.0 | |
| 组合三阶差拍 | CTB | dBc | -60 | ||
| 相对强度噪声 | RIN | dBm/Hz | -135 | ||
| 模拟调制带宽 | BW | GHz | ≥2.5 |
Claims (5)
1、高线性度AlGaInAs BH激光器，其特征在于工作腔体和出光面(1)、反射面(2)组成谐振腔，工作腔体内的上SCH波导层(4)、下波导层(6)和AlGaInAs/InP工作有源层(5)形成分别限制结构及增益材料部分，P型正极欧姆接触层(3)和N型负极欧姆接触层(7)构成电流注入的电极通道，工作有源层(5)两边有脊形波导(9)，脊形波导(9)由P-InP层(11)和N-InP层(10)组成的测向折射率导引和P-N-P漏电流限制结构掩埋，谐振腔有外置大双沟(8)。
2、根据权利要求1所述的高线性度AlGaInAs BH激光器，其特征在于工作有源层(5)采用1-1.2％的压应变量子阱和0.15-0.4％的张应变的AlGaInAs垒层材料构成应变补偿的有源层，量子阱周期数为6-7个。
3、根据权利要求1所述的高线性度AlGaInAs BH激光器，其特征在于上SCH波导层(4)、下波导层(6)采用AlGaInAs到AlInAs渐变限制层结构(GRIN)，外侧再用与InP匹配的AlInAs作过渡层，其他为InP材料。
4、根据权利要求1所述的高线性度AlGaInAs BH激光器，其特征在于P型正极欧姆接触层(3)采用1-2×1019cm-3P型高掺杂的InGaAs顶层作为欧姆接触层，在InGaAs顶层和InP之间插入InGaAsP四元层。
5、根据权利要求1所述的高线性度AlGaInAs BH激光器，其特征在于脊形波导(9)深度为1.3-1.5微米，宽为1.1-1.5微米，P-InP层(11)和N-InP层(10)侧向采用p-n-p晶闸管结构。
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