CN107171179A

CN107171179A - 多电极串行半导体光放大器

Info

Publication number: CN107171179A
Application number: CN201710568929.8A
Authority: CN
Inventors: 于丽娟; 邹灿文; 刘建国; 祝宁华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2017-09-15

Abstract

本公开提供了一种多电极串行半导体光放大器，包括：衬底；n面电极，形成于衬底的第一表面；n型多层结构，形成于衬底的第二表面，包括：n型下限制层，形成于衬底上；n型波导层，形成于n型下限制层上；有源层，形成于n型多层结构上；p型多层结构，形成于有源层上，包括：p型界面层，形成于有源层上；p型上限制层，形成于p型界面层上；p型欧姆接触层，形成于p型p型上限制层上；p面电极，形成于p型多层结构上，其包括：N个串行电极，用于使载流子从各个串行电极同时注入到有源区，其中，N≥2。通过多电极串行电流多点注入，可解决大功率半导体光放大器的散热问题，提高光电转换效率。

Description

多电极串行半导体光放大器

技术领域

本公开涉及半导体光放大器技术领域，尤其涉及一种大功率多电极串行半导体光放大器。

背景技术

放大器是光纤通信***中能对光信号进行放大的关键器件。随着半导体激光器和传输光纤性能的不断改善，美国于1975年在亚特兰大进行了光纤通信的现场试验；1976年相继开通了纽约-芝加哥、纽约-波士顿的商用光纤通信***。光纤的低损耗使光信号具有传输距离长、通信容量巨大、成本低和保密性强等优点，这使得光纤通信得到迅速发展。为了解决长距离光纤通信中的损耗问题，每隔数公里必须加一个“光-电-光”中继站，其功能是将经过光纤衰减的信号用光探测器接收变为电信号，然后用电学的方法对电信号进行放大和再生，然后再调制到激光器上转变成光信号继续传输，很明显这种中继方式增加了大量的设备和场地的成本，而且这种中继方式只能针对某一个特定的比特率和工作波长，对信号传输链路造成瓶颈。因此需要寻找新的思路实现高性能光放大。随着光器件技术的发展，用光放大器取代“光-电-光”中继方式，将经光纤传输而衰减的光信号直接用光放大器放大的构想应运而生。

通信、激光雷达和成像、高性能微波光子(MWP)连接和模拟信号处理器等方面需要大功率光放大器，是近几年的国际研究热点。在全光通信中光放大器是必不可少的器件，数据通信业务的迅猛发展要求更加高速和大容量的通信网络，这使得全光通信势在必行，而其中光放大技术有着不可替代的地位。卫星空间光通信中使用的大功率光放大器主要是掺铒光纤放大器(EDFA)，目前，已有报道1.55μm波长区的EDFA能提供大于150W的功率，50W的EDFAs已经商品化。尽管光纤放大器的具有较大的输出功率，它们的尺寸和重量也比较大，由于光抽运效率低、功耗大，所以其功率转换效率低(一般＜10％)，更重要的是光纤放大器的抗辐照性能较差，导致其性能衰减比较快。一个卫星舱每年所承受的辐照为8000千纳德，而EDFA在20千纳德的辐照下功率就要衰减一半，且其寿命远达不到卫星通信的15-20年，因此EDFA很难满足新体制的需求。

半导体光放大器有直接电注入产生增益、功耗低、体积小、重量轻、价格便宜、波长灵活、增益带宽大，以及易于与其它半导体器件(如激光器、探测器，调制器)集成等特点，更重要的是半导体光放大器(SOAs)还具有很强的抗辐照特性。为此与目前的EDFA的性能作参照，取长补短地提高半导体光放大器的性能，特别是通过材料改性，结构变化、降低与光纤的耦合损耗，提高饱和输出功率、降低噪声和偏振灵敏度，那么半导体光放大器在空间光通信中有希望替代光纤放大器。

半导体放大器有源区的体积、光限制因子和内部损耗是决定其输出功率的主要因素。早期的SOAs，也指半导体激光放大器(SLAs)，是端面镀抗反射膜和波导倾斜压制激射的简单的激光结构。在这些SOAs中，垂直方向和侧向的光限制用分别限制结构(SCH)和刻蚀脊型波导来获得。在传统的脊波导结构中，为了实现单模工作，有源区材料的宽度通常被限制到2-3μm，光限制因子比较大，即使通过缩短腔长、减小限制因子和增益恢复时间，其输出功率只有100mw左右。从半导体光放大器的理论上看，饱和输出功率与有源区的宽度和高度成正比，与光限制因子成反比，因此，提高饱和输出功率主要通过两个途径：增加有源区的面积和减小光限制因子。

尽管锥形宽波导结构增加了SOAs增益面积，实现了高功率，但受到与增益波导动力学、模式竞争相关的光束不稳定和所需的复杂光学***限制，光场很难有效地耦合到单模光纤中。典型的锥形SOAs与单模光纤的耦合效率只有50％。所以实际饱和输出功率最大只有芯片的一半。由于通常锥形结构的SOAs光限制因子和内部损耗系数与脊型波导结构SOAs相似，因此，锥形SOAs无法通过降低内部损耗和光限制因子来提高饱和输出功率。并且由于大功率半导体光放大器饱和输出功率高，工作电流大，局部产生热功耗大，导致器件过早饱和甚至受损。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种多电极串行半导体光放大器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种多电极串行半导体光放大器，包括：衬底；n面电极，形成于衬底的第一表面；n型多层结构，形成于衬底的第二表面，包括：n型下限制层，形成于衬底上；n型波导层，形成于n型下限制层上；有源层，形成于n型多层结构上；p型多层结构，形成于有源层上，包括：p型界面层，形成于有源层上；p型上限制层，形成于p型界面层上；p型欧姆接触层，形成于p型p型上限制层上；p面电极，形成于p型多层结构上，其包括：N个串行电极，用于使载流子从各个串行电极同时注入到有源区，其中，N≥2。

在本公开一些实施例中，N个串行电极设置在以电极接触台面为中心的两侧，均匀分布，载流子分别通过各个形状相同的串行电极同时注入有源区。

在本公开一些实施例中，所述p面电极包括条形电极窗口、N个串行电极及二氧化硅材料，N个串行电极连接至条形电极窗口，所述条形电极窗口设置于p型欧姆接触层上，串行电极设置于二氧化硅材料上。

在本公开一些实施例中，所述p面电极为钛铂金材料，对于所述p面电极采用先图形掩埋版光刻，再带胶剥离的方法制备。各个串行电极之间距离为5-10μm。

在本公开一些实施例中，所述的多电极串行半导体光放大器，还包括：双沟结构，由p型欧姆接触层刻蚀至n型波导层内，形成脊型两侧有侧面沟道的波导结构，双沟之间形成台面，双沟内、侧壁都填充绝缘介质层。

在本公开一些实施例中，所述衬底采用n型InP衬底。

在本公开一些实施例中，所述有源层材料为InGaAsP材料或AlGaAsP材料。

在本公开一些实施例中，所述n型多层结构，还包括：n型缓冲层，该n型缓冲层形成在形成于衬底和n型下限制层之间；所述p型多层结构，还包括：p型过渡层，形成于p型上限制层与p型欧姆接触层之间。

在本公开一些实施例中，n型缓冲层为在衬底上外延1μm的InP，掺杂浓度与衬底(10)相同；n型下限制层(22)的材料为InP材料，采用折射率渐变生长，折射率从2×10¹⁸至5×10¹⁶cm^-3，厚度1-1.5μm；n型波导层材料一般为低掺杂InGaAsP材料，波导层厚度为4.5-5.5μm，折射率5×10¹⁶cm^-3；p型界面层材料为AlGaAs或AlInAs材料，厚度为10^-25nm；p型上限制层材料为InP材料，采用折射率渐变生长，折射率为2-8×10¹⁸cm^-3，厚度1-1.5μm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的多电极串行半导体光放大器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过顶部的多个串行电极，把大电流注入转换成几个电极同时分别注入，从而使载流子从各个电极同时注入到有源区，因此可以有效分配能量，实现了低功耗、高转换、大功率、低噪声，能够提高光电转换效率，提高输出功率；

(2)通过多电极串行的方式，解决了因局部发热而引起的热饱和问题，从而提高了饱和输出功率和器件稳定性，延长器件寿命；

(3)由于采用带胶剥离技术制备多电极，因此制作工艺简单，成本较低，有利于大规模生产和市场应用。

附图说明

图1为本公开实施例中器件材料结构示意图。

图2是本公开实施例中多电极串行大功率半导体光放大器结构示意图。

图3是本公开实施例中p面电极分布俯视图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-衬底；

20-n型多层结构

21-n型缓冲层； 22-n型下限制层；

23-n型波导层；

30-有源层；

40-p型多层结构

41-p型界面层； 42-p型上限制层；

43-p型过渡层； 44-p型欧姆接触层；

50-p面电极

51-二氧化硅层； 52-条形电极窗口；

53-串行电极；

60-n面电极；

70-绝缘介质层。

具体实施方式

本公开提供了一种多电极串行半导体光放大器，采用多个透明电极，通过离子注入限制区的限制作用，使不同电极注入的载流子注入到面发射激光器有源区对应的横模模式处，从而实现对激光器不同横模的分别调制。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

图1是本公开实施例中多电极串行大功率半导体光放大器结构示意图。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种多电极串行半导体光放大器，本实施例的器件材料包括：衬底10；n面电极60，形成于衬底10的第一表面；n型多层结构20，形成于衬底10的第二表面；有源层30，形成于n型多层结构上；p型多层结构40，形成于有源层30上；p面电极50，形成于p型多层结构40上，其包括：N个串行电极53，用于使载流子从各个串行电极同时注入到有源区，N≥2。

本公开采用多电极串行通过电流多点注入，可解决大功率半导体光放大器的散热问题，提高光电转换效率，降低功耗，降低噪声，提高输出功率，还可以提高器件稳定性和寿命。

以下分别对本实施例的多电极串行大功率半导体光放大器各个组成部分进行详细描述。

图1为本公开第一实施例中器件材料结构示意图。以下结合图1，对本实施例中衬底10、n型多层结构20、有源层30及p型多层结构40进行说明。

衬底10，用于在其上生长放大器各外延层材料，通常采用(100)面的n型InP衬底。

n型多层结构，包括：n型缓冲层21、n型下限制层22、n型波导层23。

本实施例中，n型缓冲层21形成在衬底10上，用于使衬底生长更好的外延材料，调整衬底掺杂，缓冲衬底产生的缺陷，减小外延层的应力，提高外延的平整度，减小位错，提高外延质量。n型缓冲层21为在衬底10上外延1μm左右的InP，掺杂浓度与衬底10相同。

本实施例中，n型下限制层22形成在n型缓冲层21上，用以限制光场横模向缓冲层扩散，减小光的损耗，同时也起到限制载流子扩散的作用，减小漏电流，降低阈值，提高效率。n型下限制层22的材料一般为InP材料，例如n型掺杂的InGaAsP材料，采用折射率渐变生长，折射率从2×10¹⁸至5×10¹⁶cm^-3，厚度1-1.5μm。

n型波导层23形成在n型下限制层22上，其作用是耦合有源区的单模光场，增加垂直方向的近场光斑尺寸，滤掉多模光场，提高光束质量，实现大的圆形对称光斑，提高耦合效率，同时低掺杂可减少波导层对光的吸收损耗，另外厚波导层可降低光限制因子。n型波导层材料23一般为低掺杂InGaAsP材料，波导层厚度为4.5-5.5μm，折射率5×10¹⁶cm^-3。

有源层30形成在n型波导层23上，有源层为多量子阱结构，为非故意掺杂；用于提高足够的增益，决定器件的波长。有源层材料为InGaAsP材料或AlGaAsP材料，由多个量子阱构成，例如由3-5个量子阱构成。

p型多层结构，包括：p型界面层41、p型上限制层42、p型过渡层43和p型欧姆接触层44。

p型界面层41形成在有源层30上，用以限制上层重掺杂向有源区的扩散。p型界面层41材料为AlGaAs或AlInAs材料，厚度为10-25nm；

p型上限制层42形成在p型界面层41上，用于限制有源区的光场向外泄露，减小电子漏电流，减低阈值，提高效率。p型上限制层42材料为InP材料，采用折射率渐变生长，2-8×10¹⁸cm^-3厚度1-1.5μm；

p型过渡层43形成在p型上限制层42上，用于减小下面的上限制层与上面欧姆接触层的应力提高外延质量；

p型欧姆接触层44形成在p型过渡层43上，用于实现好的欧姆接触，减小串联电阻，提高器件转换效率。p型欧姆接触层44为了提高导电性，减小串联电阻一般为重掺杂。

本公开多电极串行半导体光放大器允许产生高阶模，但通过自身特意的耦合波导性质将高阶模抑制，从而实现模式滤波，实现基横模。本公开多电极串行半导体光放大器光波导结构没有p型波导层，有效减小了器件串联电阻，提高了器件的转换效率，特殊的耦合作作用将放大器的光场分布都耦合到下面厚的低掺杂的n型波导层中，波导层较厚，基横模在垂直和平行方向上的光斑尺寸类似，光斑面积增加，即增加了增益介质的面积，得到了大的对称光学模式，从而饱和输出功率高。由于本公开多电极串行半导体光放大器有源区量子阱的厚度小，波导层的特殊结构，厚且折射率低，所以使得光场会泄露到下波导层中，因此限制因子小，饱和输出功率与限制因子成反比，因此可实现大功率。

进一步地，本公开多电极串行半导体光放大器输出光模场与光纤模式匹配，可以直接耦合进光纤。波导的折射率比有源区的低所以光场模式向折射率低的方向泄露，整个模式都在波导中形成圆形光场模式，可根据光纤输出模式的尺寸，设计平板耦合波导结构的尺寸，实现输出光斑一致。

图2是本公开中多电极串行大功率半导体光放大器结构图。通过采用图1的器件材料，用干法湿法结合的刻蚀方法，刻蚀出台面宽5μm，深4-5μm，沟宽5μm的双沟结构，双沟刻蚀至n型波导层23内，形成脊型两侧有侧面沟道的波导结构，双沟之间形成台面；在—整个芯片表面生长绝缘介质层70，通常厚度1-2μm，包括双沟内、侧壁都填充绝缘介质层SiO₂，用于限制电流注入，防止泄露作用，从而减小阈值，提高效率；在台面上开电极窗口，去掉台面SiO₂，露出p型欧姆接触层44；双沟宽度5-10微米，双沟内填充绝缘介质材料为二氧化硅或氮氧化硅。

本实施例的多电极串行半导体光放大器包括：p面电极50和n面电极60：

p面电极50形成在p型欧姆接触层44上，为正电极，包含二氧化硅层51、条形电极窗口52及多个串行电极53，各个电极注入电流相同；p面电极50通常为钛铂金材料；

n面电极60形成在衬底10的下面，为负电极，通常为Ni-AU材料。

图3是本公开中p面电极50分布俯视图，p面电极50形成在双沟结构的台面上，先使用图形掩埋版光刻，采用带胶剥离的方法制备，其中52为条形电极窗口，53为串行电极，共有10个，其位置在以电极接触台面为中心的两侧，均匀分布，串行电极形状相同，载流子分别通过各个电极同时注入有源区，实现热能分散。如图3所示，串行电极除了电极窗口下面为p型欧姆接触层44外，其它地方下面为二氧化硅层51；各个串行电极之间距离5-10μm，确保各个电极之间相互断开，而不发生干扰。

所述多电极串行半导体光放大器顶部的多个串行电极的结构，其位置在以电极接触台面为中心的两侧，均匀分布，载流子分别通过各个电极同时注入有源区，实现热能分散。

相比于现有大功率半导体光放大器存在饱和输出功率高，工作电流大，局部产生热功耗大的问题，容易导致器件过早饱和甚至受损，本公开采用多电极串行通过电流多点注入，可解决大功率半导体光放大器的散热问题，提高光电转换效率，降低功耗，降低噪声，提高输出功率，还可以提高器件稳定性和寿命。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种多电极串行半导体光放大器，包括：

衬底(10)；

n面电极(60)，形成于衬底(10)的第一表面；

n型多层结构(20)，形成于衬底(10)的第二表面，包括：

n型下限制层(22)，形成于衬底(10)上；

n型波导层(23)，形成于n型下限制层(22)上；

有源层(30)，形成于n型多层结构(20)上；

p型多层结构(40)，形成于有源层(30)上，包括：

p型界面层(41)，形成于有源层(30)上；

p型上限制层(42)，形成于p型界面层(41)上；

p型欧姆接触层(44)，形成于p型p型上限制层(42)上；

p面电极(50)，形成于p型多层结构(40)上，其包括：N个串行电极(53)，用于使载流子从各个串行电极同时注入到有源区，其中，N≥2。

2.根据权利要求1所述的多电极串行半导体光放大器，其中，N个串行电极(53)设置在以电极接触台面为中心的两侧，均匀分布，载流子分别通过各个形状相同的串行电极同时注入有源区。

3.根据权利要求2所述的多电极串行半导体光放大器，其中，所述p面电极(50)包括条形电极窗口(52)、N个串行电极(53)及二氧化硅材料(51)，N个串行电极(53)连接至条形电极窗口(52)，所述条形电极窗口(52)设置于p型欧姆接触层(44)上，串行电极(53)设置于二氧化硅材料(51)上。

4.根据权利要求3所述的多电极串行半导体光放大器，其中，所述p面电极(50)为钛铂金材料，对于所述p面电极(50)采用先图形掩埋版光刻，再带胶剥离的方法制备。

5.根据权利要求3所述的多电极串行半导体光放大器，其中，各个串行电极之间距离为5-10μm。

6.根据权利要求3所述的多电极串行半导体光放大器，还包括：

双沟结构，由p型欧姆接触层(44)刻蚀至n型波导层(23)内，形成脊型两侧有侧面沟道的波导结构，双沟之间形成台面，双沟内、侧壁都填充绝缘介质层(70)。

7.根据权利要求1所述的多电极串行半导体光放大器，其中，所述衬底(10)采用n型InP衬底。

8.根据权利要求1所述的多电极串行半导体光放大器，其中，所述有源层(30)材料为InGaAsP材料或AlGaAsP材料。

9.根据权利要求1所述的多电极串行半导体光放大器，其中，所述n型多层结构(20)，还包括：

n型缓冲层(21)，该n型缓冲层(21)形成在形成于衬底(10)和n型下限制层(22)之间；

所述p型多层结构(40)，还包括：

p型过渡层(43)，形成于p型上限制层(42)与p型欧姆接触层(44)之间。

10.根据权利要求9所述的多电极串行半导体光放大器，其中，

n型缓冲层(21)为在衬底(10)上外延1μm的InP，掺杂浓度与衬底(10)相同；

n型下限制层(22)的材料为InP材料，采用折射率渐变生长，折射率从2×10¹⁸至5×10¹⁶cm^-3，厚度1-1.5μm；

n型波导层(23)材料一般为低掺杂InGaAsP材料，波导层厚度为4.5-5.5μm，折射率5×10¹⁶cm^-3；

p型界面层(41)材料为AlGaAs或AlInAs材料，厚度为10^-25nm；

p型上限制层(42)材料为InP材料，采用折射率渐变生长，折射率为2-8×10¹⁸cm^-3，厚度1-1.5μm。