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CN115336123A - 电吸收调制激光器 - Google Patents

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CN115336123A
CN115336123A CN202080099090.8A CN202080099090A CN115336123A CN 115336123 A CN115336123 A CN 115336123A CN 202080099090 A CN202080099090 A CN 202080099090A CN 115336123 A CN115336123 A CN 115336123A
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Abstract

一种电吸收调制激光器，具有第一表面、第二表面、光学腔以及有源区，其中，光学腔由半导体衬底限定并且具有在第一表面和第二表面之间延伸的长度，有源区被配置用于将电荷注入腔中并且沿着腔的长度在相应距离处具有有效带隙能量，该电吸收调制激光器包括第一调制器段以及第二调制器段，第一调制器段在第一位置和第二位置之间延伸并且包括有源区的第一部分，第二调制器段在第二位置和第三位置之间延伸并包括有源区的第二部分，其中，有源区的第一部分在邻近第一位置处的带隙能量高于在邻近第二位置处的带隙能量。

Description

电吸收调制激光器
技术领域
本发明涉及光学器件，例如电吸收调制激光器。
背景技术
电吸收调制激光器(electroabsorption modulated laser,EML)被广泛应用于电信系统中，例如，在诸如大容量和高速率光接入网络的应用中的高性能和低成本光器件模块中。
如图1(a)和图1(b)的示例中所示，标准高速电吸收调制激光器(electroabsorption modulated laser，EML)包括分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器10和电吸收调制器(electroabsorption modulator，EAM)11。该器件一般包括半导体块，该半导体块具有后表面或刻面12、与之相对的前表面或刻面13以及在它们之间形成的光学腔。前刻面和后刻面通常都为切割的。该腔传统上包括介于p型或n型半导体材料层(分别以15和16示出)之间的有源层14。一个或多个涂层，例如抗反射(anti-reflection，AR)或高反射(high reflection，HR)涂层，可以被应用于前刻面和后刻面以提供预定反射率。在分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器中，布拉格光栅充当其中至少一个面的波长选择元件并提供反馈，将光反射回腔中以形成谐振器。DFB的后表面一般涂布有HR涂层以增强功率输出。在EAM中，发射面处的前刻面一般涂布有AR涂层以减少刻面反射。在一些实施方式中，EML可替代性地包括分布式布拉格反射器(distributed Braggreflector，DBR)激光器以代替DFB激光器。
在EML中，激光器和EAM之间的隔离通常通过蚀刻掉衬底顶层约1.0至2.5μm的深度(以17示出)或通过离子注入来实现。
通常，电吸收调制激光器利用量子限制斯塔克效应(quantum confined Starkeffect，QCSE)来改变器件的吸收。当外部电场施加到该器件时，电子态转移到较低能级，而空穴态转移到较高的能级，增加了在激射波长的允许光吸收。此外，电子和空穴被转移到阱的相对两侧，如此降低了重叠积分，从而降低了系统的复合效率。QCSE允许快速打开和关闭光通信信号，以便光可以作为“0”和“1”信号传输通过器件。
EML器件的DFB和EAM段传统上使用对接耦合(butt-couple，BC)工艺连接，由此EAM段在晶片上过度生长。DFB和EAM段通过蚀刻掉顶部p掺杂或n掺杂层或通过离子注入而彼此电隔离。使用BC工艺将EAM段连接到DFB段，EAM段的有源区沿着波导具有相同的多量子阱(multiple quantum well，MQW)带隙能量。
通过Kramers-Kronig关系，已知EML中吸收的变化可导致折射率的变化，以及传播通过器件的光波的频率的偏移。这被称为频率啁啾。频率啁啾会导致基于光纤的通信系统的传输性能下降，特别是在高波特率下。
常规EML器件可能遭受正频率啁啾，这导致较差的传输性能。这可能是由于光纤色散导致的增强的脉冲展宽。啁啾可以在高偏置水平下得到改善，但这可能导致高插入损耗。
之前已经提出使用双段EML结构，如图2(a)和图2(b)所示，其可以通过数据和数据条(data-bar)调制来修正EML啁啾。这种器件具有DFB段20。具有MQW2的第一调制器段EAM121在长度或偏置条件上不同于具有MQW3或体(bulk)的EAM2 22，或者EAM2对于MQW3/体可以具有不同的带隙能量。虽然双段电吸收调制器EML可以改善频率啁啾，但当MQW2和MQW3具有不同的带隙能量时，这种器件的制造一般需要两个EAM段的两次对接耦合过度生长。
段EAM1 21和EAM2 22可以具有相同的有源成分(MQW)但具有不同的偏置条件，但消光比(extinction ratio，ER)可能会受到影响。
希望开发一种不易出现此类问题的器件。
发明内容
提供了一种电吸收调制激光器，具有第一表面、第二表面、光学腔以及有源区，其中，所述光学腔由半导体衬底限定并且具有在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的长度，所述有源区被配置用于将电荷注入所述腔中并且沿着所述腔的长度在相应距离处具有有效带隙能量，所述电吸收调制激光器包括第一调制器段和第二调制器段，所述第一调制器段在第一位置和第二位置之间延伸并且包括所述有源区的第一部分，所述第二调制器段在所述第二位置和第三位置之间延伸并包括所述有源区的第二部分；
其中，所述有源区的所述第一部分在邻近所述第一位置处的带隙能量高于在邻近所述第二位置处的带隙能量。
所述电吸收调制激光器可以包括与所述第一调制器段光学耦合的分布式反馈激光器。
所述有源区的第一部分的带隙能量可由于所述有源区的所述第一部分的组分的变化而沿着所述腔在各个距离处变化。
当向所述激光器施加电流时，由于所述光学腔的半导体层的掺杂浓度和/或所述有源区的第一部分的厚度的变化，所述有源区的所述第一部分的电场可沿着所述腔在各个距离处变化。
所述第三位置可以位于所述第二表面。所述器件可以被配置为使得所述第二表面是所述器件的发射面。这可以允许器件与其它光学功能结构集成。例如，Mach-Zehnder调制器，或放大器
所述第一调制器段和所述第二调制器段可以彼此电隔离。这可以允许独立地控制第一调制器段和第二调制器段。
所述第一调制器段和所述第二调制器段可以被配置为由共同的驱动器调制。
所述第一调制器段可以是数据调制的，以及所述第二调制器段可以是数据条调制的。
所述有源区的所述第二部分在邻近所述第二位置处的带隙能量可以与在所述第三位置处的带隙能量基本相同。
所述有源区的第一部分的平均带隙能量可以低于所述有源区的所述第二部分的平均带隙能量。
所述第二表面可以涂布有抗反射涂层。这可以减少器件中的刻面反射。这可以提高器件的性能。
所述有源区可以在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的方向上伸长。
所述器件还可以包括与所述光学腔一起延伸的波导，用于诱导所述腔中的光沿着所述腔的长度传播。这可以有效地允许发射的光沿着腔传播。
所述波导可以具有基本恒定的宽度。这可便于器件制造。
第二调制器段可以包括波导的一部分。波导的该部分可以相对于波导的其余部分弯曲或成角度。这可以减少电吸收调制激光器的第二表面处的刻面反射。
所述波导可具有0.5μm至3.0μm之间的宽度。这可以允许相应地选择波导的有效折射率。
所述波导可以是脊波导或掩埋异质结构波导。这可以允许制造激光器的灵活性。
光学腔可以包括第一掺杂类型的第一半导体层、与第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层，以及有源区可以位于第一半导体层和第二半导体层之间。这是制造该器件的方便配置。
根据第二方面，提供了一种生长电吸收调制激光器的有源区的方法，所述电吸收调制激光器具有第一调制器段和第二调制器段，所述第一调制器段与激光器光学耦合，所述第一调制器段包括所述有源区的第一部分，所述第二调制器段包括所述有源区的第二部分，所述方法包括使所述有源区的所述第一部分生长超过掩膜，使得所述有源区的所述第一部分的平均带隙能量低于所述有源区的所述第二部分的平均带隙能量。这可以允许器件更有效地制造。
所述掩模可以逐渐变细，以使得在所述第一调制器段和所述激光器之间的界面处的掩模宽度比在距所述界面一定距离处的掩膜宽度更窄。这可以允许所述有源区的所述第一部分在邻近所述界面处的带隙能量高于与界面相距一定距离处的带隙能量。这可带来器件性能的改善。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明。
在附图中：
图1(a)示出了常规EML的顶视图。
图1(b)是沿图1(a)中A-A截面的侧视图。
图2(a)示出了具有两个EAM段的EML的顶视图。
图2(b)是沿图2(a)中B-B截面的侧视图。
图3(a)示出了光学器件示例的顶视图。
图3(b)是沿图3(a)中C-C截面的侧视图。
图3(c)示出了图3(a)和图3(b)所示光学器件的EAM段有源区带隙能量变化的示例。
图4(a)示出了光学器件示例的顶视图。
图4(b)是沿图4(a)中D-D截面的侧视图。
图4(c)示出了图4(a)和4(b)所示光学器件的EAM段有源区带隙能量变化的示例。
具体实施方式
在一个示例性实施例中，如图3(a)和图3(b)所示，EML器件包括DFB激光器30、第一EAM段31和第二EAM段32。该DFB激光器30包括具有第一后表面35的半导体块。该EML器件的第二前表面36与后表面相对，并且在它们之间形成有光学腔。前表面和/或后表面可以是切割刻面。优选地，该器件的前刻面和后刻面彼此平行对齐。可以对后刻面应用高反射(HR)涂层。该刻面35用作后反射器。该器件发射面处的前刻面36上涂布有AR涂层以减少刻面反射。DFB激光器段30的光栅(未示出)可以是全光栅、λ/4光栅或部分光栅。
在图3(a)和图3(b)所示的示例中，EML的光学腔包括介于p型半导体材料层和n型半导体材料层(图3(b)中分别以38和39示出)之间的有源层37。在该示例中，半导体层由InP制成。然而，可以使用其它半导体材料，例如GaAs。腔的形成材料可以选择性地掺杂在p型层和n型层的区域中。这些层限定在衬底中。器件有源区中的多量子阱MQW1、MQW2和MQW3分别以40、41和42示出。
DFB、EAM1和EAM2段由隔离段所分隔，如图3(a)和图3(b)中的43所示。在这些隔离段中没有电流注入到器件中，并且DFB、EAM1和EAM2段彼此电隔离。隔离段的长度可为约40至100μm，且该段中从半导体衬底顶部的蚀刻深度可为约0.8至2.0μm。可以将DFB与EAM以及第一EAM段与第二EAM段之间的顶部p-InP层蚀刻掉，以实现器件各段之间的电隔离，从而可以独立地控制它们。
波导，其轮廓如图3(a)的顶视图所示，沿光学腔延伸，用于引导腔中的光沿腔长度传播。波导包括折射率大于周围衬底折射率的材料。光从器件前表面的波导端部发射。
波导可以是脊波导，优选为浅脊波导。通过在波导任一侧的材料中蚀刻平行沟槽以产生隔离的投射带(通常小于10μm宽以及几百μm长)，可以创建脊波导。折射率低于波导材料的材料可以沉积在脊的侧面，以将注入的电流引导到脊中。或者，脊可以在不与波导下方的衬底接触的三个侧面上被空气包围。脊上还可以涂布有金以提供电接触，并有助于在脊发光时从脊散除热量。
或者，波导可以是掩埋异质结构波导。器件的波导可以是直的或弯曲的。EAM段的波导宽度优选在0.5μm至3.0μm之间。DFB和两个EAM段的波导宽度可以不同，或者也可以相同(图3(a)所示的示例即为这种情形)。为允许待选波导的有效折射率，可以相应地选择宽度。EML的波导可以具有基本恒定的宽度。
器件包括设置在半导体衬底两侧的一对电极44a、44b。在有源区37中，通过在电极44a、44b之间施加电流，从器件激光器段的有源区激发光发射。EAM段的电极可以是，例如，集总电极或行波电极。
由图3(b)可见，器件的第二前表面36是发射面，光在此处从器件输出。光学器件可以与其它光学功能结构集成。例如，该器件还可以包括邻近第二表面36的半导体光放大器。
第一调制器段在第一位置和第二位置之间延伸，并包括有源区的第一部分。第二调制器段在第二位置和第三位置之间延伸，并包括有源区的第二部分。如图3(c)所示，有源区的第一部分在邻近第一位置处的带隙能量高于有源区的第一部分在邻近第二位置处的带隙能量。
通过使用选择性区域生长(selective area growth，SAG)将EAM1段31与DFB段30耦合，可以实现EAM段中有源区的带隙能量的这种变化。
通过在衬底上沉积材料以生长和耦合器件的调制器段和激光器段，可以制造上述EML器件。通常，来自气相的金属氧化物化学气相沉积(metal oxide chemical vapourdeposition，MOCVD)源材料将在未掩膜区域中外延生长。在生长调制器段时，介电掩膜可以沉积在器件的EAM区域的至少一侧上，优选地沉积在两侧上。在掩膜(例如可以是SiO2介电掩膜)上源材料所附着处，它将不容易成核。
图3(a)中的41处示出了SAG工艺中为产生本文所述的双EAM段EML所使用的掩膜轮廓的示例。在一种优选的实施方式中，为了实现沿着器件的第一EAM段的带隙能量的变化，掩膜的形状沿着器件EAM段随距离而变化。掩膜可以逐渐变细。在图3(a)的示例中，使用了三角形的掩膜形状。更一般地，在激光器和第一调制器段之间的界面处的掩膜宽度可以比在距该界面一定距离处的掩膜宽度更窄。优选地，掩膜在第一EAM段和第二EAM段之间的界面附近最宽。然而，其它掩膜形状是可能的。
在掩膜上源材料所附着处，沉积在掩膜的源种可能重新进入气相并由于局部浓度梯度而扩散，以找到未掩膜区域。在一些实施例中，如果生长温度足够高，和/或如果掩膜宽度足够窄，这可能会发生。与完全未掩膜的衬底相比，由于在典型MOCVD生长条件下In和Ga的相对扩散系数，通过对InGaAs、InGaAsP、InGaAIAs外延层进行掩膜而发生的MQW生长可能更厚且更富铟。因此，由于量子尺寸效应和合金组成的变化，与掩膜较窄部分覆盖的区域相比，掩膜较宽部分覆盖的部分有源区中的MQW转移到较低的能带隙。
因此，形成本文所述EML器件的一部分的材料可以被生长，以便使用选择性区域生长来限定有源区的组分随着与第一调制器段和激光器之间界面的距离的变化。通过使用逐渐变细的掩膜，如图3(a)中所示，器件第一EAM段中有源区的带隙能量可以是变化的，如图3(c)中所示。此外，当向器件施加偏置电压时，由于掺杂浓度和厚度的变化，穿过该EAM段内有源区的电场可以沿着腔在各个距离处变化。
在另一个实施例中，如图4(a)中所示，矩形掩膜54可用于生长第一EAM段51中的有源区。EML器件包括DFB激光器50、第一EAM段51和第二EAM段52。段50、51、52由隔离段分开，如53所示出。DFB激光器包括具有第一后表面55的半导体块。EML器件的第二前表面56与该后表面相对，并且在它们之间形成光学腔。EML的光学腔包括介于p型半导体材料层和n型半导体材料层(在图4(b)中分别以58和59示出)之间的有源层57。器件有源区中的多量子阱MQW1、MQW2和MQW3分别以60、61和62示出。一对电极63a、63b设置在半导体衬底的两侧。在有源区67中，通过在电极63a、63b施加电流，从器件的激光器段的有源区激发光发射。EAM段的电极可以是，例如，集总电极或行波电极。
在该示例中，使用矩形掩膜54的SAG可用于将第一EAM段51与DFB段50耦合。掩膜54(可由诸如SiO2的电介质制成)用于增强第一调制器段51中MQW2区域61的生长。因此，有源区的MQW2段61的平均带隙能量将低于第二EAM段52中有源区的MQW3段62(如图4(c)所示)，并且可以使用一次SAG生长而非两次对接耦合生长以形成EML器件。
因此，如上所述，SAG可用于将第一EAM段与DFB段和/或第二EAM段耦合。由诸如SiO2的电介质制成的掩膜可用在EAM区域中以增强MQW2区域的生长。因此，MQW3区的平均带隙能量大于MQW2区域的平均带隙能量。
在使用逐渐变细的掩膜的情况下，生长可以沿着第一EAM段的波导选择性地增强。因此，器件的EAM段中的有源区的MQW2段在接近与DFB段的界面处可以具有较高带隙能量，在靠近第二EAM段处具有较低带隙能量。掩膜形状优选地沿波导可变。因此，EAM的第一部分中的MQW2段沿着波导可以具有可变带隙能量，而不是恒定带隙能量。
器件的第二EAM段中的MQW3段的带隙能量优选恒定，但可以变化。
在上述任一实施例中，第二调制器段中的部分波导可以相对于波导的其余部分弯曲或成角度。这可以减少EML的第二表面处的刻面反射。
可以如下总结一种生长电吸收调制激光器的有源区的方法，其中，该电吸收调制激光器具有第一调制器段和第二调制器段。EML具有第一调制器段，其在一端与激光器段光学耦合。在其另一端，该第一调制器段与第二调制器段光学耦合。该第一调制器段包括有源区的第一部分，该第二调制器段包括有源区的第二部分。该方法包括使有源区的第一部分生长超过掩膜，使得有源区的第一部分的平均带隙能量低于有源区的第二部分的平均带隙能量。
在所得到的电吸收调制激光器(其可以是针对上述任一实施例所述的EML)中，第一调制器段可以包括用于器件制造的掩膜。
如以上参考图3(a)至图3(c)所述，掩膜可以逐渐变细，以使得在第一调制器段和激光器之间的界面处的掩膜宽度比在距该界面一定距离处的掩膜宽度更窄。例如，掩膜可以具有三角形或梯形形状。在使用这种掩模的情况下，对于电吸收调制激光器包括第一调制器段和第二调制器段的器件，其中，第一调制器段在第一位置和第二位置之间延伸并包括有源区的第一部分，第二调制器段在第二位置和第三位置之间延伸并包括有源区的第二部分，该方法可以包括生长第一调制器段的有源区的第一部分，以便限定调制器中的带隙能量随着与第一调制器段中的第一位置和第二位置的距离的变化，其中有源区的第一部分在邻近第一位置处的带隙能量高于在邻近第二位置处的带隙能量。
因此，形成第一调制器段(EAM1段31、51)的材料，可以在EML器件的不同段在EAM1区域中耦合期间，在选择性区域生长工艺中，通过沉积材料(例如MOCVD或掺杂剂材料)超过掩膜来生长。因此，相比第一调制器段的有源区，第二调制器段的有源区将具有更高的平均带隙能量。在一优选的实施方式中，在该器件的激光器和第一调制器段之间的界面处的掩膜宽度比在距该界面一定距离处的掩膜宽度更窄。因此，MQW2的带隙在EAM1段的开头可以具有较高的能量(吸收较少)，并且吸收将沿EAM1段分布，这可能使得器件该段的饱和度较低。
因此，使用上述结构，EAM1段可以执行数据调制，而EAM2段可以提供啁啾补偿而不会对消光比造成太大的损失。啁啾补偿取决于EAM2部的长度、电压偏置和峰间电压，即啁啾补偿是可调的。
上述生长器件的有源区的方法可以在将第一光调制器段向激光器对接耦合期间执行。可以在同一次对接耦合生长中生长第一EAM段和第二EAM段。因此，这种选择性区域生长可以将两次过度生长减少为仅一次过度生长。这可以降低包括EML器件的芯片的成本并增加产量。
第一EAM段和第二EAM段可以在相同的DC偏置下被控制。如图3(b)和图4(b)所示，第一EAM段和第二EAM段可以在来自同一驱动器的单一调制下(分别为数据和数据条)。
因此，本文所述的双段EAM波导可以实现啁啾控制的EML，其中对第一EAM段EAM1进行长度为L1的数据调制，以及对具有短波长MQW的第二EAM段EAM2进行长度为L2的数据条调制。当使用SAG时，可以使用一次SAG生长而非两次对接耦合生长来实现串联EAM结构。
申请人特此单独披露本文所述的每个单独特征以及这些特征中的两个或多个的任意组合，以达到这些特征或组合能够基于本说明书并结合本领域技术人员的公知常识被整体实施的程度，但不考虑这些特征或组合是否解决了本文所披露的任何问题，也不对权利要求的范围进行限定。申请人指出，本发明的各方面可能包括任意一个单独特征或任意特征组合。鉴于以上描述，本领域技术人员显然可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (19)

1.一种电吸收调制激光器，具有第一表面、第二表面、光学腔以及有源区，其中，所述光学腔由半导体衬底限定并且具有在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的长度，所述有源区被配置用于将电荷注入所述腔中并且沿着所述腔的长度在相应距离处具有有效带隙能量，所述电吸收调制激光器包括：
第一调制器段，所述第一调制器段在第一位置和第二位置之间延伸并且包括所述有源区的第一部分；以及
第二调制器段，所述第二调制器段在所述第二位置和第三位置之间延伸并包括所述有源区的第二部分；
其中，所述有源区的所述第一部分在邻近所述第一位置处的带隙能量高于在邻近所述第二位置处的带隙能量。
2.根据权利要求1所述的电吸收调制激光器，其中，所述电吸收调制激光器包括与所述第一调制器段耦合的分布式反馈激光器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电吸收调制激光器，其中，所述有源区的第一部分的带隙能量由于所述有源区的所述第一部分的组分的变化而沿着所述腔在各个距离处变化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，当向所述激光器施加电流时，由于所述光学腔的半导体层的掺杂浓度和/或所述有源区的第一部分的厚度的变化，所述有源区域的所述第一部分的电场沿着所述腔在各个距离处变化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中所述第三位置位于所述第二表面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述器件被配置为使得所述第二表面是所述器件的发射面。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述第一调制器段和所述第二调制器段彼此电隔离。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述第一调制器段和所述第二调制器段被配置为由共同的驱动器调制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述第一调制器段是数据调制的，以及所述第二调制器段是数据条调制的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述有源区的所述第二部分在邻近所述第二位置处的带隙能量与在所述第三位置处的带隙能量基本相同。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中所述有源区的第一部分的平均带隙能量低于所述有源区的所述第二部分的平均带隙能量。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述第二表面涂布有抗反射涂层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述有源区在所述第一表面和所述第二表面之间延伸的方向上伸长。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电吸收调制激光器，其中，所述器件还包括与所述光学腔一起延伸的波导，用于诱导所述腔中的光沿着所述腔的长度传播。
15.根据权利要求14所述的电吸收调制激光器，其中，所述波导具有基本恒定的宽度。
16.根据权利要求14或15所述的电吸收调制激光器，其中，所述波导具有0.5μm至3.0μm之间的宽度。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的电吸收调制激光器，其中所述波导是脊波导或掩埋异质结构波导。
18.一种生长电吸收调制激光器的有源区的方法，所述电吸收调制激光器具有第一调制器段和第二调制器段，所述第一调制器段与激光器光学耦合，所述第一调制器段包括所述有源区的第一部分，所述第二调制器段包括所述有源区的第二部分，所述方法包括使所述有源区的所述第一部分生长超过掩膜，使得所述有源区的所述第一部分的平均带隙能量低于所述有源区的所述第二部分的平均带隙能量。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述掩模逐渐变细，以使得在所述第一调制器段和所述激光器之间的界面处的掩模宽度比在距所述界面一定距离处的掩膜宽度更窄。
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