專利名稱：光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法
技術領域：
本發明涉及通過選擇區域生長(SAG)，量子阱混雜(QWI)及非對稱雙波導(ATG)技術，采用常用的濕法腐蝕和光刻工藝制作一種半導體光放大器電吸收調制器和模斑轉換器單片集成器件的方法。
背景技術：
隨著現代信息社會的發展，超大容量和長距離信息的高速傳輸、處理和存儲是十分關鍵的技術。無論是長途通信的干線網、廣域網、還是短途通信的局域網、接入網、短途數據聯接光交換等都需要大量的高性能、低成本的光電子器件來支撐網絡的功能。WDM技術和OTDM技術是解決不斷增長的傳輸信息的關鍵技術。高速DWDM和OTDM網絡系統必須具備多種光邏輯功能，如放大、調制、路由、波長轉換、上傳和下載的功能。開發單片集成的多功能光子器件是降低系統成本，推動光電子器件技術進步的關鍵所在。
半導體光放大器是全光網絡傳輸系統和未來光纖互聯網絡的重要組成部分。相對目前占統治地位的光纖放大器而言，SOA具有體積小、功耗低、易于與其它光電子器件集成等優點，如果在有源區引入張應變材料，還可以達到偏振不靈敏。在未來的光網絡中，它將廣泛用于中繼放大、波長轉換、光開關、上下線路由等方面。
電吸收調制器具有高速、高的消光比和低的啁啾噪聲，體積小，驅動電壓低以及易于集成的優點，可用于DWDM系統和時分復用(OTDM)的外調制器和信號發生器，也可以做成光開關。
模斑轉換器可以將半導體芯片(如激光器、光放大器、電吸收調制器)輸出的橢圓光斑變成和單模光纖(SMF)的本征光斑相匹配的圓光斑，從而提高器件與SiO2波導(光纖)的耦合效率，增加耦合容差，降低耦合成本。對于大功率半導體光放大器來說，集成了模斑轉換器，除了提高耦合效率和偏調容差外，還可以提高工作壽命和最大飽和輸出功率。
半導體光放大器(SOA)，電吸收調制器(EA)及模斑轉換器(SSC)的單片集成功能器件，對光網絡特別是密集波分復用(DWDW)系統的發展意義重大，一方面它可以通過單片集成的方法在一個芯片上面同時擁有WDM系統所需要的多種光邏輯功能，另一方面，通過單片集成的方法可以大大地減小芯片的尺寸和制作封裝成本。SOA可以對外來的光進行放大，補充光在傳輸過程中不可避免的傳輸損耗，EA可以對光信號進行調制，如果在輸入和輸出端各加一個模斑轉換器，則可提高器件和光纖的耦合效率和偏調容差，降低器件耦合封裝的難度和成本。
從材料學的角度來看，單片集成光子器件需要在同一個InP襯底片上生長多種不同的能隙波長的材料以完成不同的功能。例如，對于工作在1.55μm波長附近的單片集成光子器件而言，通常需要三種能隙波長的材料1.55μm波長的材料作為增益區，用于形成激光器或者半導體光放大器；1.50μm能隙波長的材料作為激子吸收區，用于形成電吸收調制器；小于或者等于1.45能隙波長的材料作為無源區，用于形成的損耗光波導。為了制作復雜的單片集成光子器件，需要構建一個成熟的集成工藝技術平臺。研究人員提出并實現了多種多樣的集成技術選擇區域生長(SAG)，對接生長(butt-joint growth)，量子阱混雜(QWI)，非對稱雙波導(ATG)。
對于制作光電子集成器件而言，選擇區域生長技術是一種非常誘人的技術，在金屬有機化學汽相淀積(MOCVD)過程中，通過在平面襯底上制作的掩膜圖形，生長材料的能隙可以被局域地控制，從而實現選擇區域生長。由于SAG具有工藝相對簡單，成品率高的優點，已經被廣泛應用在光電子集成器件的制作上。
對接生長(butt-joint growth)是光子集成器件最直接的制作方法。butt-joint技術包含一系列的腐蝕、在生長過程首先在襯底上生長材料，然后用SiO2作為掩膜，局部選擇腐蝕去掉材料，并在腐蝕區域重新生長材料。通過反復的腐蝕、再生長過程，再同一襯底上制備不同帶隙波長的材料。對接生長的兩種不同帶隙波長材料存在陡峭的界面，有利于光子集成器件的制作。由于不同帶隙波長的材料在不同的生長過程中制備，對接生長可以實現材料的分別優化，得到高性能的器件。對接生長最大的缺點是生長次數多，工藝復雜，器件成本率偏低。
量子阱混雜技術(QWI)是一種生長后處理技術，通常包括三個步驟1、在量子阱材料的表層產生大量的缺陷；2、在某種激勵條件小，例如快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)，促使點缺陷向量子阱區域移動；3、點缺陷的擴散可以誘導量子阱/壘材料的組分原子在界面處發生互混雜，導致材料組分發生變化，從而改變帶隙波長。QWI技術的主要優點是采用傳統的平面外延生長技術，無需再生長過程。由于點缺陷的產生和擴散具有一定的側向運動過程，因此不同材料之間并不是陡峭過渡的，存在2～3um的變化區域，這對集成光子器件的性能來說通常沒有太大的影響。
非對稱雙波導(ATG)技術的原理是基于光波導模式的漸變耦合。工藝的基本過程如下首先在一次外延中依次逐層生長集成光子器件所需要的各種不同帶隙波長材料，各層之間使用薄的InP層隔開，帶隙波長較長的增益材料被生長在最上層；在隨后的脊波導刻蝕過程中，使用寬度逐漸變窄的側向楔形波導實現相鄰層之間光場模式低損耗漸變耦合。在器件的增益區中，上波導具有較大的等效折射率，而下波導等效折射率較小，因此在增益區中光場被很好地限制在上波導中；隨著楔形波導的逐漸變窄，上波導等效折射率減小，當上波導等效折射率低于下波導等效折射率時，光場逐漸耦合到下波導中，因此適當設計楔形波導形狀，可以使光場低損耗的從上波導耦合到下波導中。ATG技術的優點是不同帶隙波長的材料在一次平面生長中即可形成，而且不同材料的應變、厚度都是可以分別優化的。使用優化的耦合波導結構，側向楔形波導的耦合損耗可小于1dB(參見Photonic.Technol.Lett.，Vol.11，1999，pp.1096)。ATG技術使用重復的光刻、腐蝕步驟定義集成光學器件的不同功能區域，這一點和傳統的CMOS工藝相似，可以借鑒CMOS工藝的一些制作經驗。ATG技術已經被廣泛地應用于集成光學器件的制作，如有源器件(SOA，SOA，EA)和模斑轉換器的單片集成等。
國際上有名的公司，如AT&T，NTT，Lucent等均推出了各自的半導體放大器、電吸收調制器、模斑轉換器的單片集成器件(參見Electron.Lett，1996，32111 and IEEE J.Select.Topics Quantum Electron，2000，619 and J.Lightwave Technol，2002，202052 and IEEE Photon.Technol.Lett，2002，1427 and IEEE Photon.Technol.Lett，2003，15679)。制作的方法有選擇區域生長(SAG)及對接(butt-joint)生長等工藝技術。結構上分，有脊波導結構及掩埋結構兩種。butt-joint可以對SOA、EA及SSC分別進行優化，可以得到性能較好的SOA、EA及SSC集成器件。但是制作工藝比較復雜，外延次數較多，成本高；放大器、調制器及模斑轉換器連接處的晶體質量較差，不易獲得高耦合效率的對接波導。掩埋結構相對脊波導結構，外延次數增多，制作工藝復雜。
我們采用選擇區域生長，量子阱混雜以及非對稱雙波導技術成功地制作了半導體光放大器，電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成器件。其中SOA/EA區域采用脊型波導結構，模斑轉換器采用掩埋雙波導結構(簡稱BRS結構)。整個器件把脊型波導結構、掩埋波導結構、非對稱雙波導結構有機地結合在一起，制作方法和制作普通的脊型波導半導體激光器兼容。整個器件只需要三次低壓有機金屬氣相外延(簡稱LP-MOVPE)。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其具有工藝簡單、成本低的優點；同時本發明的相應器件在波長1.55-1.60μm范圍內，可實現調制速率10Gbit/s以上，插入損耗為0dB，消光比大于10dB，偏振增益差小于1.2dB。
本發明一種光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，包括以下制作步驟(1)在n型磷化銦襯底上依次外延生長n型磷化銦緩沖層，下波導層，磷化銦空間層，和一層1.1Q層；(2)利用PECVD技術在1.1Q層生長SiO2；(3)利用光刻板在放大器區域定義出SiO2掩膜對；(4)用311腐蝕液腐蝕晶片上最上面的1.1Q層；(5)在刻有掩膜對的晶片上面生長多量子阱有源區及上下光限制層和本征InP注入緩沖層；(6)利用離子增強化學沉積的方法在整個晶片上面生長SiO2保護層；(7)利用光刻板，腐蝕去掉兩端模斑轉換器的SiO2保護層，同時保留放大器和調制器區的SiO2保護層；(8)使用熱耙低能磷離子注入，在兩端模斑轉換器區的i-InP注入緩沖層產生點缺陷；(9)利用HF溶液腐蝕掉放大器和調制器區的SiO2保護層，同時利用PECVD設備在晶片上面重長SiO2保護層以免隨后的快速熱退火過程對晶片表面產生損傷；
(10)快速退火；(11)利用HF酸腐蝕SiO2保護層，同時利用4∶1的鹽酸溶液腐蝕掉注入緩沖層；(12)利用相應的光刻板把放大器和調制器區域進行掩蔽，采用濕法腐蝕工藝刻出兩端模斑轉換器上脊形狀；(13)然后利用自對準工藝刻出下波導；(14)再生長p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(15)把兩端模斑轉換器區域掩蔽，重新刻出放大器和調制器區的上脊型波導結構；(16)刻出放大器和調制器區之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(17)在放大器和調制器區的隔離溝及放大器和調制器區的臺面兩側均進行He+的注入；(18)刻出放大器和調制器區的下脊型波導結構；(19)用311腐蝕液腐蝕掉兩端模斑轉換器區的p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(20)利用熱氧化技術生長SiO2絕緣層；(21)在放大器和調制器區兩邊淀積聚酰亞胺，并進行固化；(22)開電極窗口；(23)光刻電極圖形；(24)濺射P電極；
(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)在晶片上沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜；(29)垂直腔面切割管芯。
其中磷化銦空間層的厚度為0.2μm。
其中1.1Q層的厚度為30nm。
其中SiO2的厚度為150nm。
其中掩膜對的寬度30μm，間隔15μm。
其中熱耙是將晶片加熱到200℃。
其中低能磷離子注入，其能量為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；其中退火是指在爐中對晶片加熱到700℃，保溫120s。
其中所述的下波導層的厚度在45～50nm之間，帶隙波長為1.1μm，和InP襯底的晶格常數匹配，n型摻雜濃度在1018/cm3量級；空間層的厚度在0.15～0.3μm，n型摻雜濃度在1017/cm3量級；有源區包括10個周期的量子阱；每個壓應變銦鎵砷磷量子阱的厚度在EA及SSC區為6～7nm，應變量在0.3％～0.4％之間；此外，多量子阱中的壘為四元銦鎵砷磷，在電吸收調制器及模斑轉換器區的壘厚為6～7nm之間，應變量在-0.3％～-0.4％之間，帶隙波長為1.2μm。
其中在步驟(12)中采用過腐蝕技術使SSC有源區輸出末端的寬度小于0.5μm，以保證放大器和調制器區的光逐漸耦合到下面的下波導。
本發明的優點是
(1)兼容了脊型波導和掩埋波導的優點，同時克服了各自的缺點；(2)下波導不需要進行多次InP和InGaAsP的多次生長來調整下波導的帶隙波長，減少了LP-MOVPE的生長次數；(3)無需特意增加刻蝕停止層，波導結構中各層以及InP空間層在濕法腐蝕時，自然起到了刻蝕停止層的作用；(4)利用常規的濕法腐蝕和光刻工藝便可完成器件的制作，無需采用電子束圖形曝光等昂貴的光刻和腐蝕工藝，器件成本大大降低。
(5)利用選擇外延MOCVD技術，一次外延就可以把SOA和EA的波導結構生長出來，同時可以精確控制兩者之間的波長偏調量。
(6)采用非對稱雙波導技術制作模斑轉換器，模斑轉換器的材料和SOA/EA區的材料在一次平面生長中即可完成，上下波導層的帶隙波長，厚度，以及應變等都是可以分別優化的，同時中間的InP空間層的厚度也可以優化；(7)對SSC區我們在電吸收調制區材料的基礎上進一步采用量子阱混雜技術實現帶隙波長藍移，降低器件的吸收損耗；(8)采用在EA兩邊淀積聚酰亞胺可以使EA總電容降低，同時提高EA的調制速率。
(9)充分利用了量子尺寸效應，即能級是分立的，態密度為階梯狀分布，因此其內量子效率較高，微分增益較大。
(10)充分利用了應變能帶工程，采用應變補償結構，即有源區由壓應變的阱和張應變的壘構成，通過引進張應變來提高TM模增益實現偏振不靈敏，而且能在大的工作電流和寬的波長范圍內獲得較低的偏振不靈敏度。
(11)SOA的光限制因子較大，因此具有適當長度的器件和在適度的電流下便可獲得高增益。因此該結構的無損操作電流小、芯片增益大；(12)該結構的優化設計自由度較大，對有源波導和無源波導的帶隙和尺寸分別進行優化，SSC輸出端面幾乎可以得到近似圓形的且和單模光纖本征光斑模式幾乎匹配的光斑。遠場發散角在水平和垂直方向分別可以達到8.0°和18.0°，和單模光纖耦合效率可達3dB，1-dB偏調容差在水平和垂直方向達±2.9和±2.56μm。
為進一步說明本發明的內容，以下結合附圖對本發明的器件的制作方法以及研制所取得的結果做較為詳細的描述，其中圖1為器件結構示意圖；圖2為測得的光放大器、調制器、及模斑轉換器區的光熒光譜圖；圖3為在100mA放大器注入電流，調制器零偏壓下，器件放大的自發發射譜圖；圖4為調制器輸出端面(a)及模斑轉換器輸出端面(b)的遠場分布圖；圖5為光纖到光纖的增益與輸入波長的關系圖；圖6為調制器在不同的偏置電壓下的電—光響應曲線圖；圖7為100mA光放大器注入電流下，調制器的直流消光比曲線圖；圖8為選擇外延生長所用的光刻板圖。
具體實施例方式
本發明涉及一種光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，包括如下制作步驟(1)2英寸的n-InP襯底經嚴格的去污(依次使用乙醇、三氯乙烯、丙酮、乙醇加熱煮沸)→酸洗(濃硫酸浸泡1～2分鐘)→水洗(去離子水沖洗50遍以上)→甩干處理后，放入生長室，生長溫度655℃，生長壓力22mbar，石墨舟轉速75～80轉/分。生長速度0.4～0.7nm/s；(2)在n型磷化銦襯底(100)面上外延生長n型磷化銦緩沖層(0.5μm厚)、下波導層(厚度50nm，帶隙波長為1.1μm)、0.2μm磷化銦空間層、薄的1.1Q層(30nm)；(3)利用PECVD技術在1.1Q層生長150nm厚的SiO2，同時利用圖8所示的光刻板在SOA區刻出SAG生長的mask對，mask寬度30μm，間隔為15μm；(4)用311溶液腐蝕掉最上面的1.1Q層，對晶片重新進行清洗；(5)利用LP-MOCVD第二次生長下光限制層(厚度100nm，帶隙波長為1.2μm)、張應變量子阱有源區、上光限制層(厚度100nm，帶隙波長為1.2μm)和150nm厚的i-InP注入緩沖層；
(6)利用PECVD在整個wafer上面生長400nm左右的SiO2保護層；(7)利用相應的光刻板，腐蝕去掉兩端SSC區的SiO2保護層，保留SOA/EA區的SiO2保護層；(8)使用熱耙(把襯底加熱到200℃)低能磷離子注入，在兩端SSC區的i-InP注入緩沖層產生點缺陷；注入能量均為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；(9)利用HF溶液腐蝕掉SOA/EA區的SiO2保護層，同時利用PECVD在晶片上面重長150nm厚的SiO2保護層；(10)在退火爐中對晶片加熱到700℃，保溫120s，然后快速熱退火；(11)用用HF酸溶液去掉晶片上面的150nm厚的SiO2保護層，用4HCl∶1H2O的鹽酸溶液去掉最上面的150nm厚的i-InP注入緩沖層，利用相應的光刻板刻板用311溶液(3H2SO4∶1H2O∶1H2O2)去InGaAsP，刻蝕出SSC上波導形狀；(12)用丙酮去膠后，重新涂甩厚膠，利用圖相應的光刻板(周期為300μm)曝光、顯影后，采用1Br∶25HBr∶80H2O的溶液去InGaAsP及InP，腐蝕出SSC的下脊形狀。由于上述溶液為非選擇性腐蝕液，因此可以通過多次腐蝕實驗和臺階儀測量來精確估算腐蝕速度，確保腐蝕到InP-buffer為止。當然，我們也可以利用器件結構的自然刻蝕停止層，分別用311溶液腐蝕InGaAsP層，4HCl∶1H2O的溶液腐蝕InP。不過這樣分層腐蝕效率低，特別是311溶液腐蝕下無源波導1.1Q時，腐蝕時間比較長；(13)把樣品嚴格清洗干凈后，放在MOCVD室生長p型磷化銦(100nm)，1.1Q刻蝕停止層(20nm)，P型磷化銦包層(1.8μm)和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層(0.2μm)；(14)采用相應的光刻板，把SSC部分掩蔽，刻出SOA/EA部分的上脊型波導結構，其中InGaAs接觸層采用311溶液腐蝕，p型InP用4HCl∶1H2O溶液腐蝕，一直腐蝕到1.1Q的刻蝕停止層；(15)刻出放大器和電吸收調制器之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(16)在晶片上面涂甩5μm的厚膠，利用相應的光刻板刻出He+的注入的圖形在放大器和電吸收調制器的隔離溝及其臺面兩側均進行He+的注入，注入條件為50kev/4×1013，100kev/4×1013，180kev/4×1013，注入方向和晶片的
方向傾斜7°。
(17)利用等離子打膠機打膠20分鐘，取出片子，放進煮沸的丙酮溶液中去除光刻膠，同時把片子清洗干凈；(18)刻出SOA/EA區下脊型波導結構；(19)移用相應的光刻板，把兩端SSC區頂層的InGaAs接觸層用311溶液腐蝕掉，同時把片子清洗干凈；(20)用熱氧化CVD設備在樣品表面生長厚350nm的絕緣SiO2，生長溫度350℃；(21)在晶片上面涂甩聚酰亞胺，厚度約4μm，利用相應的光刻板刻出聚酰亞胺的圖形，隨后在保溫爐中進行固化，固化條件為從室溫升到200℃，保溫30分鐘，再從200℃升到300℃，保溫30分鐘。隨后讓它自然從300℃降到室溫。固化期間一直通N2保護；(22)利用相應的光刻板開出放大器和調制器的SiO2電極窗口；(23)在片子上甩膠，光刻電極圖形，并且反轉，反轉過程是把光刻后的片子放在氨氣的保溫爐中，加熱到110℃，取出片子重新在光刻機下曝光；(24)濺射P電極(Ti/Pt/Au)；(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜(AR膜)；(29)垂直腔面切割成300μm×14500μm的管芯。
由圖1可以看出該器件采用的是雙波導結構，整個器件是利用三次LP-MOVPE生長而成的。器件的具體結構及尺寸在在發明內容中已有詳細的描述。
由圖2知，放大器區的PL譜波長1.75μm，調制器區1.50μm，SSC區1.40μm，三者的強度及半寬均相差不大，說明在SAG區生長的晶體質量和大面積區一樣好，對SSC區進行QWI，并沒有使材料的質量變壞；由圖3知，當SOA的注入電流為100mA，調制器偏壓為0V時，在1450～1650nm范圍，器件的偏振相關增益小于1.2dB。
由圖4可知，EA輸出端面的遠場發散角在水平和垂直方向分別為微30.0°和49.0°。SSC端為7.3°和18.0°。由此可知，在EA輸出端面的光斑很小，呈橢圓狀；而在SSC端面的光斑已經變大，并且幾乎呈圓形。
由圖5可知，當輸入光功率為-13.0dBm，器件在1550～1600nm的波長范圍內，可以實現無損工作。
由圖6可知，當EA的偏置電流在0V的時候，器件的3dB帶寬大于10GHz。EA在實際工作中是負偏壓的，其p-i-n結電容會更小，3dB調制帶寬會更大。
由圖7可知，當輸入光波長1.580um，SOA注入電流100mA，EA偏壓-3.5V時，器件的直流消光比為23dB，偏壓為-2.5V，直流消光比亦可達到16dB.隨著輸入波長的增加，器件的消光比減小，但是器件的插損亦減小。這是因為輸入波長愈接近EA的吸收帶邊，EA的激子吸收效應愈明顯。
由圖8可知，選擇外延所用的掩膜對寬度30μm，間隔15μm，長度600μm。
由此可知，該器件制作方法簡便，性能良好。其相應器件在波長1.55-1.60nm范圍內，可實現調制速率10Gbit/s以上，插入損耗為0dB，消光比大于10dB，偏振增益差小于1.2dB。這類器件可以作為編碼器，光開關，光波長轉換器，是未來光網絡的核心部件。
本發明是利用擇外延生長技術，量子阱混雜技術以及非對稱雙波導技術開發出一種新的半導體光放大器(SOA)、電吸收調制器(EA)和模斑轉換器(SSC)單片集成器件(即SSC+SOA+EA+SSC串接器件，以下簡稱SSES)。SSES的結構見圖1。由圖1可以看出，該器件只需三次LP-MOVPE。其中一次為選擇外延生長。利用選擇外延生長技術，可以在SOA和EA得到不同的生長速率，其中SOA是富In生長，生長速率高于EA區，帶隙寬度小于EA區，即SOA區的PL譜波長比EA區長。通過選擇不同的mask寬度和不同的生長壓力和溫度，可以得到你所需要的波長偏調量。在我們的實驗中，mask的寬度為30μm，間隔為15μm，生長壓力22mbar，生長溫度655℃。EA區的PL譜波長1500nm左右，而SOA為1575nm左右，偏調75nm左右。對兩端的SSC區在EA材料的基礎上進行量子阱混雜技術，可以使兩個區域的PL峰值波長從1500nm藍移到1400nm左右，降低器件的吸收損耗。SOA/EA區采用脊型雙波導結構，而SSC采用掩埋雙波導結構。脊形波導工藝簡單，外延次數少，可靠性高，同時EA的電容可以做得很低，調制速率高；而掩埋結構可以大大改善光斑模式特性。整個器件兼容了脊型波導和掩埋波導的優點，同時克服了各自的缺點。SOA長600μm，EA長200μm，其間的隔離溝長50μm，SSC的長300μm，整個器件的長度為1450μm。有源上波導在SSC部分，條寬從3μm線性變化到0μm，呈楔形。無源下波導條寬8μm，厚度50nm左右，空間層的厚度0.2μm。在SSC區，采用非對稱雙波導技術(ATG)使上波導層的光通過空間層和下波導進行相位耦合上波導層在側向呈楔形狀，傳輸一定的距離后，上波導達到截止條件使上波導的光絕熱地耦合到下波導。一旦光傳輸到下波導，則光斑模式完全由下波導決定。由于下波導的厚度比較薄，帶隙波長短(1.1μm)，與InP的折射率差小，屬于弱限制波導，光斑的尺寸逐漸變大。到達SSC的輸出端面時，其光斑尺寸可以和單模光纖的模式尺寸匹配(單模光纖本征光斑半徑約5μm左右)。
該結構綜合利用了脊型波導、掩埋波導、量子阱效應、應變效應和選擇外延技術，量子阱混雜技術和非對稱雙波導技術的優點，制作方法非常簡便，僅需要三次LP-MOVPE，利用常規的制作脊型波導激光器的光刻和濕法腐蝕工藝就可以完成，工藝兼容性非常好。
權利要求
1.一種光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，包括以下制作步驟(1)在n型磷化銦襯底上依次外延生長n型磷化銦緩沖層，下波導層，磷化銦空間層，和一層1.1Q層；(2)利用PECVD技術在1.1Q層生長SiO2；(3)利用光刻板在放大器區域定義出SiO2掩膜對；(4)用311腐蝕液腐蝕晶片上最上面的1.1Q層；(5)在刻有掩膜對的晶片上面生長多量子阱有源區及上下光限制層和本征InP注入緩沖層；(6)利用離子增強化學沉積的方法在整個晶片上面生長SiO2保護層；(7)利用光刻板，腐蝕去掉兩端模斑轉換器的SiO2保護層，同時保留放大器和調制器區的SiO2保護層；(8)使用熱耙低能磷離子注入，在兩端模斑轉換器區的i-InP注入緩沖層產生點缺陷；(9)利用HF溶液腐蝕掉放大器和調制器區的SiO2保護層，同時利用PECVD設備在晶片上面重長SiO2保護層以免隨后的快速熱退火過程對晶片表面產生損傷；(10)快速退火；(11)利用HF酸腐蝕SiO2保護層，同時利用4∶1的鹽酸溶液腐蝕掉注入緩沖層；(12)利用相應的光刻板把放大器和調制器區域進行掩蔽，采用濕法腐蝕工藝刻出兩端模斑轉換器上脊形狀；(13)然后利用自對準工藝刻出下波導；(14)再生長p型磷化銦包層和高摻雜p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(15)把兩端模斑轉換器區域掩蔽，重新刻出放大器和調制器區的上脊型波導結構；(16)刻出放大器和調制器區之間的電隔離溝，用311溶液腐蝕掉隔離溝的InGaAs接觸層；(17)在放大器和調制器區的隔離溝及放大器和調制器區的臺面兩側均進行He+的注入；(18)刻出放大器和調制器區的下脊型波導結構；(19)用311腐蝕液腐蝕掉兩端模斑轉換器區的p型銦鎵砷歐姆電極接觸層；(20)利用熱氧化技術生長SiO2絕緣層；(21)在放大器和調制器區兩邊淀積聚酰亞胺，并進行固化；(22)開電極窗口；(23)光刻電極圖形；(24)濺射P電極；(25)帶膠剝離出P電極；(26)外延片襯底減薄至100μm、濺射n電極；(27)在晶片上沿
方向解理管芯；(28)在管芯的兩端鍍TiO2/SiO2具有極低反射率的增透膜；(29)垂直腔面切割管芯。
2.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中磷化銦空間層的厚度為0.2μm。
3.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中1.1Q層的厚度為30nm。
4.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中SiO2的厚度為150nm。
5.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中掩膜對的寬度30μm，間隔15μm。
6.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中熱耙是將晶片加熱到200℃。
7.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中低能磷離子注入，其能量為50kev，注入劑量為5×1013/cm3；
8.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中退火是指在爐中對晶片加熱到700℃，保溫120s。
9.根據權利要求1所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中所述的下波導層的厚度在45～50nm之間，帶隙波長為1.1μm，和InP襯底的晶格常數匹配，n型摻雜濃度在1018/cm3量級；空間層的厚度在0.15～0.3μm，n型摻雜濃度在1017/cm3量級；有源區包括10個周期的量子阱；每個壓應變銦鎵砷磷量子阱的厚度在EA及SSC區為6～7nm，應變量在0.3％～0.4％之間；此外，多量子阱中的壘為四元銦鎵砷磷，在電吸收調制器及模斑轉換器區的壘厚為6～7nm之間，應變量在-0.3％～-0.4％之間，帶隙波長為1.2μm。
10.根據權利要求所述的光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其特征在于，其中在步驟(12)中采用過腐蝕技術使SSC有源區輸出末端的寬度小于0.5μm，以保證放大器和調制器區的光逐漸耦合到下面的下波導。
全文摘要
一種光放大器電吸收調制器和模斑轉換器的單片集成的方法，其是利用擇外延生長技術，量子阱混雜技術以及非對稱雙波導技術開發出一種新的半導體光放大器(SOA)、電吸收調制器(EA)和模斑轉換器(SSC)單片集成器件(即SSC+SOA+EA+SSC串接器件，以下簡稱SSES)。該器件只需三次LP－MOVPE。其中一次為選擇外延生長。利用選擇外延生長技術，可以在SOA和EA得到不同的生長速率，其中SOA是富In生長，生長速率高于EA區，帶隙寬度小于EA區，即SOA區的PL譜波長比EA區長。通過選擇不同的mask寬度和不同的生長壓力和溫度，可以得到你所需要的波長偏調量。
文檔編號G02B6/13GK1854877SQ20051001164
公開日2006年11月1日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者侯廉平, 王圩, 朱洪亮, 周帆 申請人:中國科學院半導體研究所