專利名稱：波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制分布反饋激光器和制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制分布反饋激光器(分布反饋激光器〔DFB-LD〕與電吸收調(diào)制器〔EA modulator〕單片集成器件)的制作方法。
電吸收調(diào)制DFB激光器已經(jīng)成為長(zhǎng)途干線高速光通訊系統(tǒng)采用的主要光源，因?yàn)樵撈骷某叽缧?、成本低、低啁啾、?qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)，使得該器件的研發(fā)得到極大的重視。但隨著internet的發(fā)展，為解決網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的瓶頸，需采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。在波分復(fù)用技術(shù)中，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)對(duì)復(fù)用信道的頻率做了嚴(yán)格的要求，以便于不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以兼容；同時(shí)對(duì)復(fù)用信道的頻率間隔也做了嚴(yán)格的規(guī)范。為了符合WDM對(duì)信道的要求，要求EML的波長(zhǎng)可調(diào)諧。目前，關(guān)于可調(diào)諧EML的公開報(bào)道有兩種1、美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室/Lucent公司的彎曲波導(dǎo)可調(diào)諧EML的結(jié)構(gòu)如

圖1所示，DFB激光器的波導(dǎo)采用3段彎曲結(jié)構(gòu)，在波導(dǎo)上制作均勻的Bragg光柵，由于光柵的等效周期與波導(dǎo)的傾角有關(guān)(傾角小于6°)，通過改變3段電極的電流，就可以改變激光器的Bragg光柵的等效周期，從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧的EML。見IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.9，pp.563-565，1997，但該結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，而且非連續(xù)調(diào)諧的范圍僅為4nm左右。2、法國(guó)電信的D.Delprat等在IEEE Photon.Tech.Lett.，vol.9，pp.898-900，1997上報(bào)道的DBR激光器與電吸收調(diào)制器的單片集成，但該結(jié)構(gòu)輸出光功率小，需要集成一個(gè)半導(dǎo)體光放大器，增加了制作的復(fù)雜程度。另外，為滿足未來全光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，信道變換、上路、下路等，需要波長(zhǎng)可快速調(diào)諧的EML。法國(guó)電信的可調(diào)諧EML采用的結(jié)構(gòu)是可調(diào)諧分布Bragg反射(DBR)激光器與EA調(diào)制器的單片集成，如圖2所示。其調(diào)諧的機(jī)理就是利用改變DBR區(qū)的注入電流，該區(qū)的有效折射率隨之改變，因此DBR激光器實(shí)現(xiàn)了激射波長(zhǎng)可調(diào)諧。
本發(fā)明的目的是提供一種波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器和制作方法。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是制作波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器方法包括以下步驟1.在條形絕緣介質(zhì)膜覆蓋的磷化銦(InP)襯底上，采用低壓金屬有機(jī)化合物氣相淀積(LP-MOCVD)技術(shù)生長(zhǎng)銦鎵砷磷(InGaAsP)多量子阱(MQW)，由于介質(zhì)膜的影響，在襯底上同時(shí)生長(zhǎng)出能帶帶隙寬度不同的兩種MQW，帶隙寬的作為EA調(diào)制器，窄的作為DFB激光器和調(diào)相區(qū)；2.在DFB區(qū)域制作Bragg光柵，在EA調(diào)制器區(qū)制作減小光反饋的窗口，隨后采用LP-MOCVD生長(zhǎng)p-InP間隔層、p-InGaAsP刻蝕停止層、p-InP蓋層、p+-InGaAs接觸層；3.在調(diào)相區(qū)、激光器區(qū)域、調(diào)制器區(qū)域制作寬度在2微米左右的脊型波導(dǎo)條形，采用氦離子注入，在調(diào)相區(qū)、激光器、調(diào)制器之間形成高隔離電阻區(qū)；4.淀積絕緣介質(zhì)膜，在調(diào)制器的壓焊電極下淀積聚酰亞胺(polyimide)，并刻出調(diào)相區(qū)、激光器、調(diào)制器的電極窗口；5.采用帶膠剝離(lift-off)技術(shù)，制作調(diào)相區(qū)和激光器的電極、調(diào)制器的高頻電極，以及條形金屬鉑/鈦(Pt/Ti)合金作為薄膜加熱器；6.減薄，做N面電極；在器件的端面鍍光學(xué)膜。
本發(fā)明的波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器包括襯底，在襯底上有脊形波導(dǎo)尺寸相同的調(diào)制器、激光器、調(diào)相器，在脊形波導(dǎo)的側(cè)面分別有調(diào)制器電極、加熱器電極、調(diào)相器電極。
采用該方法制作的可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)加熱器采用Pt/Ti/Au/W/Ni等合金，其阻值可以由不同材料的厚度、寬度、長(zhǎng)度來決定，因此可根據(jù)要求方便地改變對(duì)加熱器的阻值；EML的激射波長(zhǎng)隨加熱器的功率基本是線性變化，因此易于把EML的波長(zhǎng)調(diào)到ITU的信道；由于調(diào)相區(qū)位于DFB激光器的后端，因此光經(jīng)端面反饋后，光程的變化是在普通單通型調(diào)相器的兩倍，因此調(diào)相區(qū)的長(zhǎng)度可以較短，可以減小調(diào)諧電流；在調(diào)相器區(qū)，由于折射率隨載流子變化速度非常快，因此可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)快速調(diào)諧的EML；EA調(diào)制器采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，寄生電容可以做的很小，因此可以達(dá)到10Gbit/s甚至更高的傳輸速率；該器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方法簡(jiǎn)單，調(diào)諧方法簡(jiǎn)單。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器示意圖。圖中1是彎曲波導(dǎo)DFB激光器的后(Ib)、中(Ic)、前(If)電極，2是EA調(diào)制器，3是出光面。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器示意圖。圖中1是EA調(diào)制器，2是Bragg反射器，3是有源增益區(qū)，4是聚酰亞胺，5是N型磷化銦，6是多量子阱，7是P型磷化銦，8是P型銦鎵砷，9是金屬。
圖3是制作可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器所采用的掩膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器所采用的結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。我們制作的可調(diào)諧EML不僅在結(jié)構(gòu)上與上述兩種結(jié)構(gòu)不同，而且調(diào)諧機(jī)理也不同。
首先，彎曲波導(dǎo)EML為實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，采用了摻鐵高阻磷化銦(厚3微米)掩埋條形結(jié)構(gòu)，不僅制作復(fù)雜、成本高，而且對(duì)可靠性有影響；而法國(guó)電信采用的是低介電常數(shù)聚酰亞胺掩埋脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱性差；其次，彎曲波導(dǎo)EML為實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧、減少不必要的傳輸損耗，需要精確的設(shè)計(jì)波導(dǎo)的尺寸和傾斜角度，對(duì)制作的容差要求嚴(yán)格，而且從試驗(yàn)的結(jié)果看，調(diào)諧范圍僅為準(zhǔn)連續(xù)的3.5納米；法國(guó)電信的EML存在的問題較大，一是Bragg反射器的插損大，二是效率低，三是DBR激光器的輸出光功率低。
我們的單脊條形可調(diào)諧EML可以克服上述困難。在結(jié)構(gòu)上，采用單脊條形結(jié)構(gòu)，即激光器、調(diào)制器、調(diào)相器及隔離區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸完全一致；隔離采用氦離子注入，隔離電阻大于100千歐姆；為實(shí)現(xiàn)EAM的高頻調(diào)制，在EAM的壓焊電極下淀積聚酰亞胺(polyimide)，調(diào)制速率可高達(dá)10GHz；上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)保證了該器件在制作上具有采用的工藝簡(jiǎn)單、可重復(fù)性高、制作的容差大、外延次數(shù)少，因此較Lucent和法國(guó)電信的可調(diào)諧EML，該器件的成本低，可靠性高。
從調(diào)諧特性看采用熱調(diào)諧與相調(diào)諧結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。熱調(diào)諧 利用改變激光器一側(cè)的薄膜加熱器的功率，改變激光器有源區(qū)的工作溫度，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的調(diào)諧，雖然調(diào)諧速度慢，但有較大的調(diào)諧范圍，而且波長(zhǎng)隨加熱器的功率是近線性的變化關(guān)系，易于波長(zhǎng)精確的調(diào)諧，且制作簡(jiǎn)單；相調(diào)諧通過改變EML的激光器一端的相位，可實(shí)現(xiàn)EML波長(zhǎng)的快速調(diào)諧，適于波長(zhǎng)快速切換應(yīng)用。比較Lucent和法國(guó)電信的可調(diào)諧EML，我們的可調(diào)諧EML具有調(diào)諧范圍大，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方法簡(jiǎn)便，調(diào)諧方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如下。如圖4所示，在襯底1上有一脊形波導(dǎo)，在脊形波導(dǎo)的側(cè)面分別有調(diào)制器電極15、激光器電極16、加熱器電極17、調(diào)相器電極19。激光器11、調(diào)相器19、調(diào)制器10采用相同的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。激光器11的長(zhǎng)度為200-600微米，調(diào)相器(19)的長(zhǎng)度為50-300微米，調(diào)制器(10)的長(zhǎng)度為100-300微米。加熱器電阻為7-30歐姆。激光器(11)、調(diào)相器(19)、調(diào)制器(10)之間的間隔區(qū)長(zhǎng)度為20-80微米。
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的方法。
如圖3所示，在(001)晶向的磷化銦(InP)襯底1上，淀積一層厚度在50nm～400nm的介質(zhì)膜2(SiO2，SiNx，SiNO等)，并用稀釋的氫氟酸(HF)刻蝕出固定周期間隔的一對(duì)介質(zhì)膜條，如圖3所示的圖形，其中介質(zhì)膜的條寬為5微米～50微米，介質(zhì)膜條間的寬度為5微米～50微米，長(zhǎng)度為250微米～800微米；介質(zhì)膜條形的周期為300微米，縱向間隔為150微米～700微米。隨后在介質(zhì)膜掩蓋的InP襯底上采用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(LP-MOCVD)方法生長(zhǎng)InP緩沖層3，晶格匹配的銦鎵砷磷(InGaAsP)下限制層4(SCH，波長(zhǎng)從1.0微米～1.25微米)，應(yīng)變InGaAsP多量子阱5(strained-MQW，阱的波長(zhǎng)從1.58微米～1.69微米，應(yīng)力從0～1.5％，寬度從5nm～10nm；壘的波長(zhǎng)從1.0微米～1.25微米，應(yīng)力從0～-0.8％，寬度從5nm～10nm)，匹配的InGaAsP上SCH層6(波長(zhǎng)從1.0微米～1.25微米)。采用全息曝光技術(shù)在激光器部分制作Bragg光柵7，隨后采用MOCVD生長(zhǎng)厚度在50nm～250nm之間的p型InP間隔層8、波長(zhǎng)為1.2微米厚為5nm～30nm的刻蝕停止層9、厚度為1微米以上的p型InP蓋層10、厚為0.1微米～0.5微米的高摻雜p型InGaAs接觸層11。然后采用濕法(腐蝕液為1～10∶1∶1的H2SO4∶H2O2∶H2O，1～10∶1的HCl∶H2O)刻蝕出垂直側(cè)面的激光器和EA調(diào)制器的脊型波導(dǎo)，刻蝕時(shí)間由p型InP蓋層10和p型InGaAs接觸層11的厚度決定；采用選擇濕法刻蝕去掉激光器與EA調(diào)制器之間的p型InGaAs接觸層，注入各種能量、各種計(jì)量的氦離子，以形成高阻區(qū)12；采用PECVD方法生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)膜13；為減小EA調(diào)制器和調(diào)相器的電容，在調(diào)制器壓焊電極下淀積聚酰亞胺14；隨后采用帶膠剝離技術(shù)濺射Ti/Pt/Au，形成EA調(diào)制器的電極15，激光器電極16，加熱器壓焊電極17，調(diào)相器電極19，然后再次采用帶膠剝離技術(shù)制作條形的Pt/Ti合金，作為加熱器電阻18；激光器、調(diào)制器、調(diào)相器的光波導(dǎo)采用相同的結(jié)構(gòu)，通過一次光刻即可制得，大大簡(jiǎn)化了器件的制作難度，保證了集成器件各部分之間具有高的耦合效率?；瑴p薄后，制作Au/Ge/Ni作為器件的N型電極20；為減小EA調(diào)制器在出光端面的反饋，制作InP掩埋的窗口21；在EA調(diào)制器的出光端面鍍減反射膜22，在調(diào)相器鍍高反射膜23。最后，制作出如圖2所示的可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器。
權(quán)利要求
1.一種新型波長(zhǎng)可調(diào)諧電吸收調(diào)制DFB激光器，包括襯底，其特征在于在襯底上有一個(gè)直條脊形波導(dǎo)，在脊形波導(dǎo)的側(cè)面分別有調(diào)制器電極、加熱器電極、激光器電極、調(diào)相器電極。
2.按權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于脊形波導(dǎo)包括均采用單一脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激光器、調(diào)相器、調(diào)制器。
3.按權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述的激光器、調(diào)相器、調(diào)制器采用相同幾何尺寸的結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述激光器的長(zhǎng)度為200-600微米。
5.按權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述調(diào)相器的長(zhǎng)度為50-300微米。
6.按權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于所述調(diào)制器的長(zhǎng)度為100-300微米。
7.按權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于所述加熱器電阻位7-30歐姆。
8.按權(quán)利要求1或2所述的激光器，其特征在于激光器、調(diào)相器、調(diào)制器之間的隔離區(qū)長(zhǎng)度為20-80微米。
9.一種新型波長(zhǎng)可調(diào)諧吸收調(diào)制DFB激光器的制作方法，包括以下步驟1)、在淀積有特定介質(zhì)膜圖形的InP襯底上采用MOCVD生長(zhǎng)InGaAsP多量子阱；2)、采用特殊的掩膜，采用全息曝光技術(shù)在DFB激光器段制作Bragg光柵；3)、采用MOCVD生長(zhǎng)InP間隔層、刻蝕停止層、InP蓋層和InGaAs接觸層；4)、在激光器、調(diào)制器、調(diào)相器區(qū)制作寬度均勻的單脊條型，選擇刻蝕掉激光器、調(diào)制器、調(diào)相器之間的InGaAs接觸層；5)、在去掉接觸層的區(qū)域和脊型波導(dǎo)的兩側(cè)選擇注入氦離子，以形成高阻區(qū)；6)、生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)膜，采用帶膠剝離技術(shù)制作激光器、調(diào)制器和調(diào)相器的電極，加熱器的壓焊點(diǎn)及條形加熱電阻；7)、減薄后，制作N面電極，并在EA端鍍減反射膜，在調(diào)相器端鍍高反射膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于采用有介質(zhì)膜(SiO2，SiNO或SiNx)圖形掩蓋的襯底，利用掩膜對(duì)材料生長(zhǎng)速度的影響，通過一次生長(zhǎng)即可得到為制作該集成器件所需的具有不同能帶帶隙的材料；
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的制作方法，其特征在于介質(zhì)膜的厚度為50nm-400nm，寬度為5μm-50μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于InP間隔層的厚度為50nm-250nm。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于刻蝕停止層的波長(zhǎng)為1.1-1.6μm，厚度為5nm-30nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于p型InP蓋層的厚度至少1μm。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于p型InGaAs接觸層的厚度為0.1μm-0.5μm。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于激光器、調(diào)制器、調(diào)相器的光波導(dǎo)采用相同幾何尺寸的結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在調(diào)制器、調(diào)相器的壓焊點(diǎn)下淀積低介電常數(shù)的物質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制作方法，其特征在于所述的低介電常數(shù)的物質(zhì)是聚酰亞胺。
19.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制作方法，其特征在于在激光器的脊型一側(cè)淀積條形金屬薄膜加熱電阻，距離激光器的工作區(qū)距離很近。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于在激光器的后端集成了一個(gè)相位調(diào)制器。
21.根據(jù)權(quán)利要求9或20所述的制作方法，其特征在于調(diào)相器的寄生電容較小，調(diào)相器的折射率隨注入載流子的變化速率較快。
全文摘要
本發(fā)明是在EML的激光器脊型波導(dǎo)的一側(cè)制作一金屬薄膜加熱器,改變加熱器的工作電流可以改變激光器的工作溫度因而改變EML的波長(zhǎng);同時(shí)在DFB激光器的后端加一段相位調(diào)制器,改變調(diào)相區(qū)的工作電流可以改變DFB激光器的反饋光相位,進(jìn)而改變DFB激光器的閾值工作條件,可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)快速調(diào)諧的EML。該器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作方法簡(jiǎn)單,調(diào)諧方法簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1366367SQ0110047
公開日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月15日
發(fā)明者劉國(guó)利, 王圩, 張靜媛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所