TW404044B - Expanded mode wave guide semiconductor modulation - Google Patents

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404044 A7 B7____ 五、發明説明（1 ) 發明背景 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 發明頜域 本發明係關於電吸收調變器（E AM)，特別關於光模 式被最佳化以使光插入損耗最小之EAM · 2. 習釦技藝說明 己知電吸收調變器（EAM)係用於調變RF訊號。 R F訊號的光調變已知有很多優點，包含較高頻率、不受 電磁干擾、及相當寬的頻寬。 這些EAM在此領域中係相當著名的》此種EAM的 實施例揭示於美國專利號4，525，687 ; 4，84 7，573:5，107，307;5，165，105 ;5，402，259:及5，522，005中，於此 均將其一倂列入參考。這些EAM也揭示於“ Theoretical Design Optimization of Multiple Quantum Well Electroabso rption Waveguide Modulators", by N. K. Chin and W. S. 經濟部中央標準扃貝工消費合作社印装 C. Chang, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 29， No. 9，Sept· 19，1993，pgs· 2476-2488。 這些E AM典型上係形成於基底上作爲半導體波導。 舉例而言，如同讓渡給本發明的受讓人之美國專利號5， 4 0 2，2 5 9所揭示般，電吸收調變器包含形成於 G a A s基底上的半導體波導。波導係由夾於二 A 1 G a A s波導層之間的一或更多G a A s量子井所構 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 404044 A7 B7 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 五、發明説明？) 成。歐姆接點會形成於裝置之上以使R F訊號及任何D C 偏壓訊號連接至裝置。如同美國專利號5，402，25 9中所揭示般，DC偏壓訊號係用以使EAM24在其線 性範圍中操作。如同此技藝中所習知般，電場的改變會造 成裝置的光吸收改變，進而使光強度被調變。藉由施加 R F訊號至裝置，則输入的光訊號之強度調變會依據R F 訊號的變化而變化。 具有E AM之光調變系統顯示於圖1中且大體上以代 號2 0表示》舉例而言，來自雷射發射器2 2之光載波會 朝向EAM2 4的輸入埠。EAM2 4的光輸出埠會經由 光纖2 8而朝向光二極體接收器2 6。RF輸入訊號及 DC偏壓會施加至EAM的電輸入。如同上述，EAM 2 4會將光載波調變爲R F輸入訊號的函數。光二極體接 收器26會將光訊號調變以提供RF輸出訊號。DC偏壓 係用以偏壓光二極體26。 光調變系統2 0的功效係取決於朝向光二極體接收器 2 6之調變光訊號的光功率，與來自諸如雷射發射器2 2 之光載波的光功率有關。系統的R F增益係隨著光二極體 接收器2 6的光功率之平方函數而增加。因此，爲了改進 光調變系統2 0的功效，需要使系統中的光插入損耗最小 。特別是，需要使雷射發射器2 2與輸出光纖2 8之間的 光插入損耗最小》不幸的是，在很多習知的E AM光學模 式不匹配會存在於光纖2 8與EAM2 4之間，造成顯著 的光插入損耗，光插入損耗會減少整個光調變系統2 0的 本紙伕尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -5 (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 訂 404G44 A7 B7 五、發明説明P ) 功效•更特別的是，已知的單一模式半導體波導具有之模 式場尺寸爲橫向（平行磊晶層）中數微米及在縱向（垂直 於磊晶層）中顯著的較小尺寸。但是，傳統的單一模式光 纖具有的模式場直徑較接近1 〇微米。此種模式場尺寸之 不匹配會造成相當顯著的光插入損耗，而使光調變系統 2 0的整體功效變差。 發明槪述 本發明的目的係解決習知技藝中的不同問題。 本發明的又一目的係提供用以減少光插入損耗之電吸 收調變器（E A Μ )。 本發明的又一目的係提供E AM *其會被最佳化以提 供最小的光插入損耗予E AM所連接的光裝置。 本發明的又一目的係提供EAM，其會將EAM與 EAM要耦合的光裝置之間的模式匹配最佳化。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 簡而言之，本發明係關於電吸收調變器（EAM)， 用以提供RF輸入訊號之光調變》E AM會形成於半導髖 基底上作爲半導體波導，具有光輸入埠及光輸出埠以及電 輸入接點以連接至R F輸入。E AM的波導部份之配置會 最佳化以提供要與E AM連接的諸如光纖等特別光裝置相 匹配之模態匹配》藉由使E AM與E AM所要連接的光裝 置之間的模態匹配最佳化，可使光插入損耗最小，藉以改 進光學系統的整體功效。裝置的波導部份係由眾多經選取 以補償增加的模式電場尺寸之量子井所形成。 -6 _ {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐} 404G44 A7 B7 五、發明説明（4 ) 圖式簡沭 參考下述說明書及附圖，將可輕易地瞭解本發明的這 些及其它目的，其中： 圖1係光調變系統的略圖； 圖2係根據本發明的電吸收調變的剖面視圖，顯示放 大的本質層之成份； 圖3係顯示爲RF输入功率函數之RF輸出功率，說 明第一偏壓時調變器的動態範圔； 圖4係類似於圖3，用於不同的偏壓： 圖5係說明不同的輸入光功率位準下爲D C偏壓的函 數之光傳送； 圖6係說明不同的輸入光功率位準下爲D C偏壓的函 數之輸出光功率； •圖7係圖2中所示之EAM的又一實施例： 圖8係圖2中所示之EAM的另一實施例： 圖9係根據本發明的馬奇詹德（Mach-Zehnder )調變 器。 主要元件對照表 2 6 向光二極體 40，40>，80，80<，100 電吸收調變器 42·58*56;56^*87*88 本質區 2 2 雷射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） --------- ----K__liT-—-----I {請先鬩讀背面之注意事續再填寫本頁) . 經滴部中央標準局貝工消費合作社印製 404044 A7 B7 五、發明说明（5 ) 4 4 半導體基底 4 6 η + 層 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 49 凸型電晶體 60*86 光半導體波導 50，52，100，104 包層 5 4 Ρ +接點層 48 p-i-n結構 62，64，66，98 障壁層 82 半導體基底 84*102 接點層 8 8 主動層 9 0 ρ波導層 9 2 η波導層 9 4 擴散障壁 詳細說明 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 本發明係關於電吸收調變器（ΕΑΜ)，其配置會被 最佳化以便與E AM所要連接的裝置具有最小的模態不匹 配。藉由使E AM與E AM要連接的裝置之間的模態不匹 配最小化，則光插入損耗會最小，因而改進光調變系統的 整體功效。將於下說明將諸如圖1所示的系統中的光插入 損耗最小化之EAM，於系統中，EAM係連接至光纖。 但是，本發明的原理可應用至E AM連接至光學裝置而非 光繊之其它系統，例如連接至另一 E AM、或光放大器。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4規格（2丨0X297公釐） 404044 A7 B7_ 五、發明説明（6 ) (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 藉由減少光插入損耗，舉例而言，圖1中所示之整個 調變系統的光功率會顯著地改進。特別的是，在如圖1所 示的光調變系統中，系統性能會取決於耦合至高速光二極 體2 6的光功率量。在此系統中，系統的R F增益會隨著 施加至光二極體2 6的光功率的平方而增加。此外，次倍 頻程鏈結中的假性自由動態範圍（由第三級互調變乘積所 限制）在熱雜訊限制系統中約2/3 d B的光增益中散粒 雜訊限制系統中的光增益每增加1 dB時增加約1/ 3 d B。如此，根據本發明的EA Μ會減少光插入損耗， 藉以增加遞送給光二極體2 6的光功率，因而改進光調變 系統的整體系統功效。 經濟部中央標隼局貝工消费合作社印聚 根據本發明的ΕΑΜ顯示於圖2中，大體上以代號 40表示。如上所述，ΕΑΜ40會使與光纖纜線的模態 不匹配最小。在已知的電光調變器中，模式場尺寸通常在 橫向中爲數微米而在縱向中顯著較少。但是，車一模式光 纖具有約1 0微米的模式場直徑。此種光纖與習知的 E AM之間的模態不匹配會造成光纖與E AM之間有顯著 的光插入損耗，而顯著地減少系統的光功率以及輸出的 R F功率。 與輸出模式由空穴大小決定的雷射不同，即使空穴本 身支持多模式，EAM4 0的二個埠之本質仍可使其光输 出可用於單一模式。這主要是因爲對E AM4 0的输入模 式具有單一瓣且當適當地對齊時與波導中心處具有最小或 具有多波瓣之其它空穴模式會有不良的重叠。但是，對給 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0><297公釐） -9- 經漪部中央榡率局員X消費合作'社印製 404044 A7 B7 五、發明説明（7 ) 定的光輸入功率而言，場振幅的尖峰會隨著模式尺寸的增 加而減少，這會減少傳輸場與吸收量子井之間的重叠，因 而造成E AM的調變效率降低。爲了補償此效應，量子井 的數目會增加以補償降低的場振幅尖峰》 本發明的模式匹配在尺寸上及幾何上會與裝置的波導 部份之不同層相匹配，以便與E AM要連接的裝置之模式 相匹配。在光纖纜線的情形中，由於EAM40的模式尺 寸會增加至更加接近地匹配光纖纜線的模式，所以，量子 并的數目會增加以補償增加的模式場尺寸以便取得相等的 每單位施加電場之吸收變化量（調變效率）。或者，簡單 地增加EAM的模式尺寸會造成調變效率降低而需要增加 輸入的R F功率量以取得等量的輸出R F功率。大體上， 裝置的模式尺寸加倍，將提供約一半的調變效率。在模式 尺寸加倍的情形中，量子并的數目加倍會提供相等的調變 效率。舉例而言，如同此處一倂列入參考之讓渡給本發明 的受讓人之美國專利號5，402，259中所揭示般， 在連接至E A Μ的光纖纜線之情形中，量子并的數目會選 爲12以取得與具有更加小的模式尺寸之EAM相等的吸 收量。 EAM4 0係形成爲半導體光波導，其包含本質區 4 2，接著包含一或更多量子井。如同此技藝中所習知般 ，量子井型的調變器可作爲強度型調變器。更特別的是， 如同下述般，光波導部份會界定輸入的光埠及輸出的光埠 。舉例而言，來自雷射2 2之光載波會施加至輸入光埠。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -* -10- 經濟部中央標率局貝工消费合作社印製 404G44 a? __B7 五、發明説明（8 ) 大體上垂直的電場（亦即，垂直於磊晶層）會造成裝匱的 光吸收改變，因而提供離開光输出埠之光載波強度調變。 藉由在大體上垂直於磊晶層的平面之方向上施加電場的 RF調變，則EAM4 0會提供強度調變的輸出光束，此 输出光束會依據R F輸入訊號的特性而變化。如同此處一 併列入參考之讓渡給本發明的受讓人之美國專利號5，4 0 2，2 5 9中所揭示般，DC偏壓會施加至RF輸入訊 號以使調變器4 0在其線性範圍中操作。 參考圖2，其顯示根據本發明的EAM40。EAM 4 0包含半絕緣基底4 4。半絕緣基底可由G a A s、 1 nP : Fe或其它材料形成。n+層或者可由I nP或 I nGaAs所形成。n+層46係作爲接點層。凸型電晶 體49會形成於接點層46之上。光半導體波導48包含 層42、 58及60，其會夾於包層50與52之間。包 層5 0可從A 1 〇.4G a 〇·βΑ s中形成爲l.#m厚的n + 型層，而包層5 2可由基本上相同型式但摻雜有p型摻雜 材料以形成p +層之材料所形成。p +接點層5 4會形成於 緩衝層5 2之上。歐姆接點會形成於接點層4 6及5 4之 上，因而形成用於RF輸入之電输入埠。 光波導4 8會形成爲p — i 一 η結構4 8，允許施加 大體上垂直於磊晶層的平面之方向的電場。特別的是，本 質層42會夾於多個摻雜層46、50、58、及52、 54' 60之間。如圖2所示，層58及60係作爲光波 導層以使光親合最佳化並由A 1 q.4G a q.6A s形成至 本紙張尺度適用中關家揉準（CNS ) A4*!#· ( 210X297公釐) ~ " - ---< ---------------1T------戍- {讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 經濟部中央標準局貝工消费合作社印家 404044 A7 __B7_ _ 五、發明説明（9 ) 約0.8#m的厚度且摻雜有η-型材料或p-型材料。 主動層4 2形成具有眾多量子井，該眾多量子井係被選取 以補償與光繊匹配之模態匹配所造成的增加的模式場尺寸 。由於爲了光纖之模態匹配而增加裝置的模式尺寸，所以 ，主動層4 2會形成爲具有由交錯的井層6 0與障壁層 6 2所組成的1 2個量子井。交錯的井及障壁層6 0及 6 2會夾於一對外部障壁層6 4與6 6之間。井層6 0可 由G a A s形成，均形成爲約1 〇 〇A的厚度，而障壁層 6 2可由A1 〇.3G a〇_7A s形成至約1 2 5A厚》外部 障壁層64及6 6均由A lQ.2Ga〇.8As形成且形成 至約2 0 0 A厚。 根據本發明的另一重要觀點係裝置的配置會被最佳化 以便即使本質區5 6的厚度會增加以減少寄生電容及改進 頻寬時，仍提供可接受的頻寬及調變效率。特別的是，量 子井型調變器會作爲平行板電容器•因此，電容會隨著本 質區5 6的厚度增加而減少，藉以增加整個裝置的頻寬。 爲使電容最小並因而增加裝置的頻寬，則本質區5 6的厚 度會增加。此處所使用的本質區5 6係關於裝置的未摻雜 區。如圖8所示，顯示圖2中所示的EAM之另一實施例 ，並大體上代號4 0’代表》在本實施例中，本質或未摻雜 區5 6’會包圍主動層（亦即，量子井層4 2 )以及其它未 摻雜區。 圖3及4係說明不同偏壓下爲RF輸入功率（dBm )函數之RF输出功率（dBm) ·如同讓渡給本發明的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公羞） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 -12- 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（10 ) 受讓人之美國專利號5，402，259中所揭示般，在 二偏壓下動態範圍中的差異顯示調整偏壓以達到最佳鏈結 動態範圍之方式。曲線7 0及7 2係顯示訊號曲線，而曲 線7 4及7 6係代表變形。雜訊樓板係由水平線7 8及 80所顯示。因而由曲線70、72，74、及76與雜 訊樓板78和80的交叉點82、 84、 86及88決定 動態範圔》 圖5及6係顯示不同光輸入功率位準下爲偏壓函數之 裝置的傳送及輸出光功率。如同所示，根據本發明之 E AM的光傳送及光輸出功率比習知的E AM高出甚多， 例如讓渡給本發明的受讓人之美國專利號中所揭示的習知 E A Μ » 發明的另一實施例顯示於圖8中。在牢實施例中，類 似於圖2中所示的實施例，光波導的配置會最佳化以使 ΕΑΜ8 0與ΕΑΜ8 0所要連接的裝置之間的模態不匹 配最小。在本實施例中，光波導係形成於I η P : F e半 導體基底8 2之上。接點層8 4會形成於基底層8 2的頂 部上。接點層84可形成爲n+層並由InGaAs所形 成。光波導，大體上以代號8 6代表，包含多個，舉例而 言，1 2個量子井層，多個量子井層係形成夾在p波導層 9 0與η波導層9 2之間的主動層。爲了防止摻雜劑擴散 進入本質區8 7，擴散障壁9 4會形成於ρ波導9 0與本 質區88之間。η波導層92會由AlGa I nAs形成 爲約0 · 8#m的厚度，具具有1 . 1 5#m能隙。ρ波 404044 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 破 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13· 404044 五、發明説明（11 ) 導層90可由A 1 Ga I nAs形成至約0 . 8#m厚度 ，具有1 . 15//m微能隙。擴散障壁層94可由 A 1 Ga I nA s形成至約0 . 0 5 //m厚度，具有 1 . 0 5//m能隙。本質層8 8可由1 2個交錯的量子井 9 6及障壁層9 8所形成。每一量子井層可由 AlGa InAs形成至約0 · 01/zm厚度，具有相當 於1.25#m發射之能隙。每一障壁層98可由 AlGaInAsfe成至約0.01#m厚度，具有相當 於1.05#m的光發射之能隙。包層1〇〇會形成於p 波導層9 0的頂部之上。包層1 0 0可由I η P形成並被 摻雜至3 X 1 017的摻雜濃度以形成ρ層。包層1 00可 形成爲1 · 0/zm厚》接點層102可形成於包層100 的頂部之上。接點層102可由InGaAs所形成並摻 雜有1 X 1 019的濃度以形成具有諸如0 . 2#m厚度之 P+層。η摻雜的包層104會形成於接點層之上。 經滴部中央標準局負工消費合作社印製 以金靥有機化學汽相沈積（MOCVD)、分子束磊 晶（ΜΒΕ)、化學光束沈積（CBE)或其它技術，於 個別基底上形成ΕΑΜ40、 40’及80。形成於個別接 點層之上的接點係由金屬沈積及光學照相蝕刻技術所形成 的。可以以習知的蝕刻及光學照相蝕刻技術，形成用於 ΕΑΜ40、40’及80之凸型電晶體的配置。 本發明的原則也可應用至其它電光裝置，例如如圖9 中所示之半導體馬奇詹徳調變器1 0 0。特別的是，調變 器1 0 0會配置成具有如上所述之光輸入及輸出埠但會向 • 14- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公嫠） 404G44 at B7 五、發明説明（12 ) 下逐渐變細至單一模式結構，以用於如同所述之Y分枝及 電場施加。可藉由金靥有機汽相沈積（MOCVD)中的 選取區域磊晶而取得裝置之逐漸變細。否則，所需的彎曲 會導入顯著的耦合，而造成多模式輸出且相當差地耦合至 光纖。 顯然地，在慮及上述說明下，本發明的很多變化及變 異是可能的•因此，可以瞭解到，在申請專利範圍的範圍 內，可以以其它非上述特定說明之方式實施。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經漪部中央標準局負工消费合作社印装 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（2丨0X297公羞） -15-

Claims (1)

1. 404044 經濟部中央標準局貝工消费合作社印裝 A8?I . D8夂、申請專利範圍 1·—種電吸收調變器（EAM)，可光耦合至預定 的單一模式光裝置，包括·· 基底； 形成於該基底上的光波導，光波導由主動層及波導層形 成’該主動層具有預定數目的量子井，該波導層係用以使 E AM與該預定光裝置之間的模態不匹配最小化。 2 .如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，其中選取 該預定數目的量子井以提供預定的調變效率以便補償增加 的模式尺寸。 3 .如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，其中該預 定的光裝置係光纖。 4 .如申請專利範圍第3項之電吸收調變器，其中該量 子井的預定數目爲12。 5 .如申請專利範圍第2項之電吸收調變器，其中該主 動層未被摻雜及包含預定數目的量子井，該預定數目的量 子井係夾於相對地被摻雜之波導層對之間· 6 .如申請專利範圍第5項之電吸收調變器，進一步包 含本質區及擴散層，該擴散層係配置於該本質區與該摻雜 區之一和該波導層之一之間。 7 .如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，其中該光 波導進一步包含包餍，該光波導係夾於該包層之間。 8 .如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，進一步包 含相鄰於該主動區之本質區。 9 .如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，進一步包 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國a家揲率（CNS ) Α4规格（210X297公釐） -16 - 經濟部中央揉窣局負工消费合作社印装 A8 404044 eg D8 六、申請專利範圍 含相鄰於該包層之一的第一接點層。 1 0 .如申請專利範圔第9項之電吸收調變器，進一步 包含相鄰於該包層中的其它包層之第二接點層。 1 1 ·如申請專利範圍第1項之電吸收調變器，其中該 基底係G a A s。 1 2 .如申請專利範圔第1項之電吸收調變器，其中該 基底係I η P。 1 3 .—種形成電吸收調變器之方法，該電吸收調變器 具有減少的光插入損耗，包括下述步驟： a.設置基底： b·在該基底上形成光波導，該光波導係用以匹配該電 吸收調變器所要連接的光模式。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該光波導 係形成有預定數目的量子井。 1 5 .如申請專利範圍第1 4項之方法，其中該量子井 的數目係被選取成取得預定的調變效率。 1 6 .—種電光裝置，用以光親合至預定的單一模式裝 置，該電光裝置包括 半導體電光裝置：其中該裝置係用以使與該預定光裝 置的模態不匹配最小。 17.如申請專利範圔第16項之電光裝置，其中該 半導體電光裝置係馬奇詹德調變器。 ----------一裝— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 订 本紙張尺度適用中國國家梂率（CNS M4规格（2丨0X297公釐} - 17 ·