半导体器件制造技术

一种半导体光学器件，例如激光器，具有一个组合光学波导，它包括与一大体上为平面的无源波导（２）光学接触的楔形ＭＱＷ有源波导（１）。由组合波导支持的光学基模沿组合波导的长度而变化，这样在激光器里，激光模被增大并与单模光学纤维有更好的匹配。也揭示了一种制造这样的半导体光学器件的方法。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体光学器件，并涉及一种制造半导体光学器件的方法，特别涉及一种适合组成与光学纤维低损耗相互连接的半导体光学器件。半导体器件和光学纤维已各自独立地取得了很多进展，例如用来供光学通信系统使用。半导体器件，例如激光器已取得了很大进展，并可通过考虑它们自身的特定要求来进行优化，例如对于激光器，低阈值、高带宽、窄线宽和高输出功率都是所要求的。这些要求，结合现有半导体材料所赋予的基本限制，特别是它们的折射率，意味着为了优化这些半导体光学器件的功能，很小的波导模是必要的。比较起来，对光学纤维的要求是需要损耗低，材料(色散)和波导色散低，有一定的机械性能(包括能被装卸)及被拼接的能力。尽管从多模到单模光纤的进步已明显减小了光学纤维的波导模尺寸，但实际上能被拼接的单模光纤的模尺寸要比半导体光学器件中的波导模尺寸大得多。波长为1.55μm的标准通信单模光学纤维的光斑尺寸(1/e2直径)大约是10μm，而一个典型的双异质结构半导体激光器的输出端面的光斑尺寸是1.0μm乘1.5μm。在半导体光学器件和光学纤维的模光斑尺寸之间的极不匹配意味着两者之间的耦合效率很低，例如对于激光器和垂直端面单模光纤之间低达10％。另外，为使得半导体激光器和光学纤维之间的耦合效率达到最大，要求严格的准直公差，这将显著地增加组装半导体器件的成本。运行FTTH(光纤进入家庭)的关键性经济条件之一就是低成本组装半导体激光器的可能性。这种激光器成本的最大部分被用来组装该器件，而该成本的主要部分是需要使用亚微米的主动光纤准直技术来将光纤与半导体激光器准直。IW Marshall发表在1986年4月第4卷第2期《英国通信技术杂志》上的《半导体激光器和单模光纤之间使用锥形透镜光纤的低损耗耦合》描述了提高半导体器件和光学纤维之间耦合效率的技术。这篇文章说明在单模光纤的末端如何形成透镜，首先将光纤拉成锥形，在熔焊机的电弧下保持拉伸，然后通过熔化锥形的尖端形成透镜。这种技术确实提高了光纤和半导体激光器之间的耦合效率，同时也明显地提高了组装这些器件的成本。除了实际做成透镜的成本外，当使用这样的透镜时，还要求比使用垂直端面光纤耦合有更高的准直公差。这是由于耦合损耗对于透镜光纤准直误差的灵敏度随着透镜半径的减小而增大，因而增加耦合效率必须以提高准直公差为代价。提高半导体光学器件和光学纤维之间的耦合效率同时也减小在组装这些器件时对准直公差的要求一个可能的方法包括使用无源模转换器。例如在1993年欧洲光通信会议上由T.Brenner和H.Melchior提交的论文《利用InCaAsP/InP集成光学模适配器获得高效纤维波导耦合》和1992年第28卷的《电子快报》第1610-1617页由N Yoshimoto等著的《(使用了InP/InAlAs多量子阱波导的光斑尺寸转换器用于低损耗单模光纤耦合》都报导了这样的器件。这种器件是无源光学元件，它们使用楔形波导区域用于单模光纤与半导体器件的光学连接，将小的半导体模转换为单模光纤大得多的模。为了避免高损耗，要求这些无源模转换器的波导参数非常平缓地变化，以便允许光学模绝热地传播。尽管这些无源模转换器的确改善了半导体器件和光学纤维之间的耦合效率，并且也增加了准直公差，但它们还包含有一个必须在半导体光学器件和光学纤维之间准直和安装的元件，因而增加了这些组装的器件的复杂度，尺寸和成本。1990年2月《IEEE光子技术快报》第2卷第二期，TLkoch等所著《楔形波导InCaAs/InCaAsP多量子阱激光器)描述了一种具有增加输出光斑尺寸的集成无源波导的激光器。这种器件采用了一个普通的多量子阱有源层，并为获得阶梯状楔形波导而采用了若干个沿该器件长度方向上的不同点被逐次刻蚀的无源波导层。有源层与无源楔形波导间消逝场耦合，并且也采用另一个与楔形波导相隔很大距离的无源“支撑”波导。这种设计几乎不允许激光器的优化有灵活性，例如要获得与无源楔形波导高度的消逝场耦合的需要在厚度上限制了有源层。这种对有源层厚度的限制限制了激光器的高温性能。而且使用阶梯状楔形无源波导要求大量附加的光刻步骤，因此极大地增加了器件制造的复杂度和成本。按照本专利技术首先提出的见解，提供一种半导体光学器件，它包括一个带有第一和第二末端的组合光学波导，该组合波导包括半导体材料的第一光学波导区，该第一区是光学无源的，并且大体上是平面的；及半导体材料的第二光学波导区，该第二区是光学有源的，包括多量子阱结构，并且在与第一区平面大体平行的方向上，从组合波导的第一末端到第二末端沿着第二区长度的主要部分是楔形的。其中第一和第二区是光学接触，并且由组合波导支持的光学基模的尺寸沿组合波导的长度而变化。因此，与由koch等揭示的包括有一个均匀截面的有源区和一个楔形无源区的器件相反，按照本专利技术的器件包括一个与一无源平面波导光学接触的楔形多量子阱有源区。这种结构使得大输出光斑尺寸的有源半导体光学器件的设计有很大的灵活性。例如，由于该多量子阱有源区是横向楔形即在与无源波导平面平行的方向上成楔形，因而在有源层可允许的厚度上有更大的灵活性。这种多量子阱有源层能选择有足够的厚度使该器件有好的高温性能，而不会降低有源和无源波导之间的光学耦合程度。由于当有源区是楔形时它变为不是太强的波导，也由于它包括了多量子阱结构，因而导致设计上的高度灵活性。使用多量子阱结构允许在组合波导的设计中有更大的灵活性，例如，能将有源层的平均折射率保持为合理的低值。同时仍能确保在该有源区产生有效放大。多量子阱结构的出现，推进了折射率更低的有源层的使用，这使得有源区的楔形部分的长度被缩短。而且，由于多量子阱有源区的平均折射率更低，能在更大的宽度上截断该有源区，因而缩短了整个器件的长度。既然半导体器件的成本部分地与所用半导体芯片的尺寸相关，这种楔形长度的缩短将使器件成本减小。多量子阱结构有源区的使用也方便了无源波导区的简化，而较可取的是无源区在沿着组合波导的长度上具有大体不变的宽度。因而本专利技术提供，例如一种与标准单模通信光纤的光斑尺寸更好地匹配的大光斑尺寸输出的激光器，它的其它特性，例如阈值电流，及高温性能，并没有过分地兼顾。这样的大光斑尺寸激光器与光学纤维有更高的耦合效率，并因而允许采用简单的垂直光纤尾端面，而不采用昂贵的锥形透镜光纤尾端。使用垂直光纤尾端面，与具有大光斑尺寸的激光器相结合，可以将光纤的准直公差改善到这样的程度，即能在组装工序中采用低成本的无源(即没有激光入射到光纤的有源监测)光纤准直技术。传统的半导体激光器的组件要并入一个有源冷却器件(例如peltier元件)来维持激光器芯片的温度在低的水平上，例如处于或低于室温。如果取消用于激光器芯片的有源冷却器件，就可使封装激光器的成本进一步降低。按照本专利技术的激光器，这是可能的，因为它们具有好的高温性能。有利的是，截断了光学有源区的楔形部分。尽管由于光线传输到楔形经历了折射率的突变，楔形的截断的确引起了损耗，但令人吃惊的是按照本专利技术，这种截断损耗并没有严重地影响器件的性能。楔形截断允许楔形长度有意义地被缩短。而且相信截断楔形避免了所不希望的在有源区边界上的非辐射复合效应，由于有源区体积减小，这变得很有意义。有利的是，在与无源区平面大体垂直的方向上光学有源区本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括带有第一和第二末端的组合光学波导的半导体光学器件，该组合波导包括：半导体材料的第一光学波导区，该第一区是光学无源的，并且大体上是平面的，及半导体材料的第二光学波导区，该第二区是光学有源的，包括多量子阱结构，并且在与第一区平面大体平行的方向上，从组合波导的第一末端到第二末端沿着第二区长度的主要部分是楔形的。其中第一和第二区是光学接触，并且由组合波导支持的光学基模的尺寸沿着组合波导的长度而变化。２、如权利要求１所述的半导体光学器件，其中第一光学无源区沿组合波导的长度具有大体不变的截面。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩弗兰西丝莱亚曼，迈克尔詹姆斯罗伯逊，
申请(专利权)人：英国电讯有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]