一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器及其制备方法，属于半导体光放大器领域。本发明专利技术采用具有高折射率的条形沟道波导层与有源区平板耦合，条形沟道波导层与有源区之间由低折射率材料的N型隔离层隔开，通过改变N型隔离层的厚度、沟道波导层的材料组分或厚度可以大范围地改变光场限制因子和调节模场光斑大小。通过降低光场限制因子和扩大模场光斑，能够使半导体光放大器的饱和功率得到非常显著的提高。到非常显著的提高。到非常显著的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体光放大器领域，具体涉及一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体光放大器是光网络中的一个重要的功能性器件，它既可以在其线性区被用于光信号的直接线性放大，又可以在其饱和区被用于实现功率均衡等非线性功能。对光波信号进行线性放大是光放大器最传统的应用方式，具体地可以分为发射端光源后置放大、在线放大以及接收端探测器前置放大。掺铒光纤放大器(EDFA)是常用的在线放大器，其在饱和功率、噪声指数、增益偏振相关度等方面都具有很好的性能。但EDFA由于增益材料的限制，其工作波长只能较方便地覆盖以1550nm为中心的C波段。相对而言，半导体光放大器虽然在饱和功率、噪声指数等性能上不如EDFA，但通过调整有源区的材料，半导体光放大器能够覆盖广泛的工作波段。此外，半导体光放大器还具有体积小、易于集成等优点，拥有广阔的应用场景。
[0003]常见的半导体光放大器有脊波导结构和掩埋异质结结构。脊波导半导体光放大器是最为常见的结构，其脊形波导的存在一方面可以对光在横向上起到限制作用，另一方面可以使载流子只在脊形波导上注入，避免了载流子的横向扩散。这种结构制备相对比较简单，不需要破环有源区，具有成本低、成品率高等优势。但脊波导结构由于脊的存在，其接触电极面积小而串联电阻大。另外由于脊条的存在，耐受应力程度较低，不方便把器件通过共晶焊的方式倒贴装架在热沉上。在半导体光放大器需要较大的偏置电流工作条件下，一方面有着大量的焦耳热产生，另一方面热阻又高，两者的综合导致了半导体光放大器的有源区结温升高，在高温环境下的输出特性会急剧劣化。
[0004]掩埋异质结结构是将光波导两侧的材料移除形成一对平行沟道，沟道内的增益区连同其上方一侧全部宽带隙材料和下方一侧的部分宽带隙材料统统移除，而后在沟道内重新生长由宽带隙半导体材料所构成的反向PN结。掩埋异质结结构光放大器需要进行多次外延生长，制作工艺复杂，成本高，另外掩埋异质结光放大器要蚀刻有源区，会有成品率低和可靠性差的问题。另外，上述结构虽然能够通过减少有源区的厚度的方式来减小光场限制因子，以达到提升饱和功率的目的，但由于垂直方向上的光场是由高折射率的有源区与两侧低折射率的包层限制，光场的峰值会出现在有源区的位置，而有源区的厚度并不能无限减小，因此上述结构的光场限制因子不能被大幅度减小。
[0005]由于光放大器的饱和输出功率主要是由其光场限制因子决定的，饱和输出功率与光场限制因子成反比，上述基于脊波导或掩埋异质结结构的半导体光放大器由于很难进一步缩小光场限制因子，所以其饱和功率难以得到进一步提高。同时，脊波导和掩埋异质结结构半导体光放大器所具有的较大的光场限制因子使其模场光斑较小，在与光纤进行耦合时会使得输入信号功率有较大的损失，从而导致其噪声指数较大。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器及其制备方法，其能够提高饱和功率并降低噪声指数，使该半导体光放大器适用于对激光光源做后置光功率放大或对光电转换单元做前置光信号放大。因此可在光通信、光泵浦、光传感等领域获得众多应用。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，半导体光放大器由下至上至少包括N型衬底层、波导层和有源区，波导层包括条形沟道波导区域和位于其两侧的注入电子限制区域，条形沟道波导区域包括依次层叠的沟道波导层和N型隔离层；沟道波导层的折射率大于N型衬底层的折射率，N型隔离层的折射率低于分别位于其上下两侧的有源区和沟道波导层。
[0008]优选地，半导体光放大器还包括位于有源区上方依次层叠的P型包层、P侧欧姆接触层和P侧电极，以及位于N型衬底层下方的N侧电极。
[0009]优选地，有源区包括N侧分别限制层、多层应变量子阱
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垒叠层和P侧分别限制层。
[0010]优选地，条形沟道波导区域的截面为矩形、三角型或梯形。
[0011]优选地，注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的采用深能级杂质掺杂的外延层。
[0012]优选地，调整N型隔离层的厚度，沟道波导层的材料组分和沟道波导层的厚度三者中的至少一个，能够改变所述半导体光放大器的光场限制因子以及模场光斑大小。
[0013]优选地，N型隔离层的材料与N型衬底层相同。
[0014]优选地，半导体光放大器采用P侧贴片工艺。
[0015]本专利技术还提出了一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器的制备方法，其特征在于，制备方法包括：
[0016]S1，提供N型衬底层；
[0017]S2，制备注入电子限制层；
[0018]S3，去除条形沟道波导区域处的注入电子限制层；
[0019]S4，在条形沟道波导区域外延生长沟道波导层和N型隔离层；
[0020]S5，外延生长有源区、P包层及P侧欧姆接触层；
[0021]S6，制备P型电极，N型衬底层减薄及制备N型电极。
[0022]优选地，通过调整所述N型隔离层的厚度，沟道波导层的材料组分和沟道波导层的厚度三者中的至少一个改变所述半导体光放大器的光场限制因子以及模场光斑大小。
[0023]本专利技术的有益效果在于，
[0024](1)光场主要集中在条形沟道波导层以及其与有源区平板间的低折射率隔离层内，通过改变N型隔离层的厚度、沟道波导层的材料组分或厚度可以大范围地改变光场限制因子和调节模场光斑大小。通过降低光场限制因子和扩大模场光斑，可以提高半导体光放大器的饱和功率和降低其噪声指数使此类半导体光放大器适用于对激光光源做后置光功率放大或对光电转换单元做前置光信号放大。
[0025](2)由于不需要在外延生长有源区之后再在P侧制备脊条，从而可以有效降低光放大器串联电阻。
[0026](3)结合P侧贴片技术，可以有效降低热阻，从而可以保证半导体光放大器的高温特性不致劣化。其制备工艺相对简单，也不需要蚀刻有源区，因而器件产品制备的成品率高，使用可靠性高。
附图说明
[0027]图1是本专利技术提出的条形沟道平板耦合波导半导体光放大器结构示意图；
[0028]图2是条形沟道平板耦合波导半导体光放大器的制备方法；
[0029]图3是条形沟道平板耦合波导半导体放大器的贴片安装示意图；
[0030]图4是实施例1的TE模式光场分布图；
[0031]图5是实施例2的TE模式光场分布图；
[0032]图6是实施例3的TE模式光场分布图；
[0033]图7是实施例4的TE模式光场分布图。
[0034]图中：10
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半导体光放大器；101
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N型衬底层；102
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波导层；102本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，其特征在于，所述半导体光放大器由下至上至少包括N型衬底层、波导层和有源区，所述波导层包括条形沟道波导区域和位于其两侧的注入电子限制区域，所述条形沟道波导区域包括依次层叠的沟道波导层和N型隔离层；所述沟道波导层的折射率大于所述N型衬底层的折射率，所述N型隔离层的折射率低于分别位于其上下两侧的所述有源区和沟道波导层。2.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，其特征在于，所述半导体光放大器还包括位于所述有源区上方依次层叠的P型包层、P侧欧姆接触层和P侧电极，以及位于所述N型衬底层下方的N侧电极。3.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，其特征在于，所述有源区包括N侧分别限制层、多层应变量子阱
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垒叠层和P侧分别限制层。4.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，其特征在于，所述条形沟道波导区域的截面为矩形、三角型或梯形。5.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体光放大器，其特征在于，所述注入电子限制区域为与所述N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者所述注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在所述N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者所述注入电子限制区域为与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洵，牛传宁，奚燕萍，李文，
申请(专利权)人：日照市艾锐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：