一种半导体光放大器芯片

1.本发明属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种半导体光放大器芯片。


背景技术：

2.半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，soa)是伴随半导体激光器的出现而出现的，它与半导体激光器在结构上非常相似，在工作原理上也没有本质上的区别，都是光子引起受激辐射并得到放大。soa和激光器最主要的区别在于soa是用来放大外部输入的光子，通常情况下有输入和输出两个端口；而半导体激光器是放大内部自发辐射产生的光子，一般情况下只有一个输出端口。soa具有功能多、体积小、成本低、易与其他光电器件集成等特点，无论是在光信号放大，还是在光信号处理和光交换应用中都具有独特和重要的作用，它是近期和下一代全光网络中的关键器件。
3.现有技术中soa多采用宽接触型结构，波导一般采用脊波导或弯波导等方式降低噪声和光反馈，存在增益效率低、侧向光束质量差等问题，应用于光通信领域的光纤为单模光纤，单模光纤的芯径仅为5-10μm，而现有的半导体光放大器的出光面尺寸远远大于单模光纤芯径。因此，soa和外接的光纤之间的本征模场的大小和形状的差别导致了二者之间有很大的模式失配，二者之间的耦合效率极低，而且对准允差较小。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明提供了一种半导体光放大器芯片，能够提高半导体光放大器的增益，同时提高半导体光放大器与光纤之间的耦合效率和对准允差。
5.为实现上述的目的，本发明提供了一种半导体光放大器芯片，包括：依次层叠设置的如下组成部分：
6.下电极层、衬底、缓冲层、无源波导层、掩埋异质有源区、掩埋倾斜波导层、盖层和上电极层；
7.其中，掩埋倾斜波导层，包括：条形倾斜波导；以及锥形倾斜波导，锥形倾斜波导与条形倾斜波导光学连接。
8.根据本发明的实施例，其中，掩埋倾斜波导层与半导体光放大器芯片的端面法线的夹角为倾斜角α，α的范围为2-15
°
。
9.根据本发明的实施例，其中，锥形倾斜波导长度为l1，其中，l1的范围为500-800μm；条形倾斜波导长度为l2，l2的范围为50-200μm。
10.根据本发明的实施例，其中，锥形倾斜波导的宽端面宽度为w1，w1设置为5-10μm，条形倾斜波导的端面宽度为w2，w2的范围为3-8μm，w1与w2的差值大于等于2μm。
11.根据本发明的实施例，其中，掩埋异质有源区为应变多量子阱结构，应变多量子阱的个数至少为5个。
12.根据本发明的实施例，其中，上电极层形成有向下的凸起部，凸起部两侧分布有氧化硅隔离层；
13.无源波导层、掩埋异质有源区和掩埋倾斜波导层形成脊型结构，脊型结构的两侧分布有限制层。
14.根据本发明的实施例，其中，限制层的材料与掩埋异质有源区的材料之间具有相对折射率差。
15.根据本发明的实施例，其中，盖层的材料与掩埋异质有源区的材料之间具有相对折射率差。
16.根据本发明的实施例，其中，掩埋异质有源区与掩埋倾斜波导层部分重叠，掩埋倾斜波导层伸出掩埋异质有源区外的部分与无源波导层重叠。
17.根据本发明的实施例，其中，芯片端面镀有多层抗反射介质膜。
18.根据本发明上述实施例的半导体光放大器芯片，由于掩埋倾斜波导层中的条形倾斜波导和锥形倾斜波导倾斜设置，具有一定倾角，且掩埋倾斜波导层包括条形倾斜波导和宽度渐变的锥形倾斜波导，避免了光波在半导体光放大器内部发生谐振，使得光波仅在其中发生单程的光增益放大。锥形倾斜波导的宽度渐变，使其在芯片端面处具有较大的横向尺寸，使得半导体光放大器与光纤具有较大的模场交叠，从而具有较大的耦合效率和对准允差。
19.根据本发明上述实施例的半导体光放大器芯片，通过掩埋倾斜波导层中条形倾斜波导和锥形倾斜波导的作用，改善了半导体光放大器的近场和远场特性，提高了与光纤的耦合效率；光波经过掩埋倾斜波导层的作用扩展至位于掩埋异质有源区下的无源波导层，改变了近场光斑的纵向尺寸，使出光面的近场光斑和光纤的模场半径相匹配，与光纤具有极高的耦合效率。
附图说明
20.图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的立体示意图；
21.图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片部分结构的端面示意图；
22.图3示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的掩埋倾斜波导层立体示意图；
23.图4示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的掩埋倾斜波导层平面示意图；
24.【附图标记】
25.10-下电极层；
26.20-衬底；
27.30-缓冲层；
28.40-无源波导层；
29.50-掩埋异质有源区；
30.60-掩埋倾斜波导层；601-条形倾斜波导；602-锥形倾斜波导；
31.70-盖层；
32.80-上电极层；81-氧化硅隔离层；
33.90-限制层。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
35.soa的应用主要体现在以下两个方面：利用soa非线性效应的全光信号处理，全光信号处理包括：全光波长变换、全光逻辑、全光缓存、全光再生、全光开关等；利用soa线性效应的光信号传输放大，光信号的传输放大包括在接收机前对光信号的前置放大，在发射机后的功率放大和传输链路中的线路放大，尽量压制非线性效应，现有技术中大多利用soa的线性增益特性进行光信号的传输放大。
36.soa主要可以分为两大类，一类是法布里珀罗soa(fp-soa)，它是直接利用解理面的反射约30％的反射率作为fp腔，让光子在有源区内得到多次放大输出；另一类是行波soa(tw-soa)，它是在soa的两个端面镀上抗反膜来降低光子在端面上的反射，实现输入光信号的单程放大。与fp-soa相比，tw-soa由于具有较小的噪声指数和增益起伏，较大的饱和输出功率和增益带宽，在光纤通信中更具有实用价值。
37.在高速光通信系统中，当soa用于补偿无源器件的损耗时，希望其有大的线性增益。从理论上来说，只要soa的注入电流足够大，有源区足够长，就能获到足够的增益。然而信号的增益越大，输入光信号在有源区中需要消耗的载流子就越多，由于有源区中的载流子恢复受到恢复时间的限制，在很短时间内得不到补充，使soa增益迅速下降，出现增益饱和现象。增益饱和降低了soa的增益，减小了饱和输入和饱和输出功率。另外，过高的soa增益还会使增益纹波增加，带宽变窄。纹波的增加带来了系统的不稳定，使输出信号产生畸变。
38.随着金属有机化合物气相沉积(mocvd)，分子束外延(mbe)等高级外延生长设备逐渐成熟，低温外延生长、低压外延生长、异质外延生长等外延工艺和技术得到新的发展。这些外延生长设备和技术的改进使精确控制外延层生长的能力大大增强，晶体生长质量也得到大幅度提高。技术上可以制作低维纳米结构，如量子阱结构soa的出现也是soa新的重要发展机遇。和体材料soa相比，量子阱soa可以得到更大的增益、更高的饱和输出功率、更好的温度稳定性以及更短的增益恢复时间。更重要的是可以通过能带工程，借助低维量子效应和应变效应对材料增益的改变，可以实现增益对输入光偏振态的不灵敏性。
39.根据以上发明构思，提供了一种半导体光放大器芯片，包括：依次层叠设置的如下组成部分：
40.下电极层、衬底、缓冲层、无源波导层、掩埋异质有源区、掩埋倾斜波导层、盖层和上电极层；
41.其中，掩埋倾斜波导层，包括：条形倾斜波导；以及锥形倾斜波导，锥形倾斜波导与条形倾斜波导光学连接。
42.根据本发明的实施例，掩埋倾斜波导层相对于芯片端面法线倾斜设置，具有一定倾角，包括条形倾斜波导和宽度渐变的锥形倾斜波导，掩埋倾斜波导层具有一定倾角且宽度渐变的特征避免了光波在半导体光放大器内部发生谐振，使得光波仅在其中发生单程的光增益放大。锥形倾斜波导的宽度渐变，使其在芯片端面处具有较大的横向尺寸，使得半导体光放大器与光纤具有较大的模场交叠，从而具有较大的耦合效率和对准允差。
43.根据本发明的实施例，通过掩埋倾斜波导层中条形倾斜波导和锥形倾斜波导的作
用，改善了半导体光放大器的近场和远场特性，提高了与光纤的耦合效率；光波经过掩埋倾斜波导层的作用扩展至位于掩埋异质有源区下的无源波导层，改变了近场光斑的纵向尺寸，使出光面的近场光斑和光纤的模场半径相匹配，与光纤具有极高的耦合效率。
44.图1示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的立体示意图，图2示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片部分结构的端面示意图，如图1和图2所示，半导体光放大器芯片包括：下电极层10、衬底20、缓冲层30、无源波导层40、掩埋异质有源区50、掩埋倾斜波导层60、盖层70和上电极层80。其中，上电极层形成有向下的凸起部，凸起部两侧分布有氧化硅隔离层81，无源波导层、掩埋异质有源区和掩埋倾斜波导层形成脊型结构，脊型结构的两侧分布有限制层90。
45.根据本发明的实施例，掩埋异质有源区50为应变多量子阱结构，应变多量子阱的个数至少为5个。
46.根据本发明的实施例，掩埋异质有源区为压应变的多量子阱，包括数个压应变量子阱阱区及垒层，提高了半导体光放大器的增益，同时降低了噪声系数。
47.根据本发明的实施例，限制层90的材料与掩埋异质有源区50的材料之间具有相对折射率差，以在横向上引导光波，横向为半导体光放大器层中宽度方向。
48.根据本发明的实施例，盖层70的材料与掩埋异质有源区50的材料之间具有相对折射率差，以在侧向上引导光波，侧向为半导体光放大器层中高度方向。
49.根据本发明的实施例，掩埋异质有源区和掩埋倾斜波导层都为掩埋异质结构的层状结构，通过将光波限制在掩埋异质结构的层状结构中限制侧向模式并引导光波，有效限制了侧向模式，提高了半导体光放大器的增益，降低了噪声系数。
50.根据本发明的实施例，掩埋异质结构使得光波的尺寸可以很小，减小了波导层的尺寸，同时保持了光学基模与掩埋异质有源区的高空间重叠，因此，掩埋异质有源区具有较低的阈值电流和非常高的光放大增益。
51.根据本发明的实施例，半导体光放大器芯片端面镀有多层抗反射介质膜，减少端面反射率。
52.图3示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的掩埋倾斜波导层立体示意图，图4示意性示出了根据本发明实施例的半导体光放大器芯片的掩埋倾斜波导层平面示意图。如图2和图3所示，掩埋倾斜波导层包括：条形倾斜波导601；以及锥形倾斜波导602，锥形倾斜波导602与条形倾斜波导601光学连接。
53.根据本发明的实施例，其中，锥形倾斜波导602长度为l1，其中，l1的范围为500-800μm；条形倾斜波导601长度为l2，l2的范围为50-200μm。
54.根据本发明的实施例，其中，锥形倾斜波导602的宽端面宽度为w1，w1设置为5-10μm，条形倾斜波导601的端面宽度为w2，w2的范围为3-8μm，w1与w2的差值大于等于2μm。
55.根据本发明的实施例，掩埋倾斜波导层相对于芯片端面法线倾斜设置，具有一定倾角，包括条形倾斜波导和宽度渐变的锥形倾斜波导，掩埋倾斜波导层通过一定倾角和宽度渐变的结构，提高了增益体积，减少了光波在半导体光放大器内部的谐振，使得光波仅在其中发生单程的光增益放大，提高了半导体光放大器的光增益。
56.根据本发明的实施例，反射光通过宽度渐变且具有一定斜角的掩埋倾斜波导层被衍射损耗，降低了反射光对半导体光放大器的单程增益放大的影响。
57.根据本发明的实施例，掩埋异质有源区与掩埋倾斜波导层部分重叠，掩埋倾斜波导层伸出掩埋异质有源区外的部分与无源波导层重叠。
58.根据本发明的实施例，光波经过掩埋倾斜波导层的作用，能够扩展至位于掩埋异质有源区下的无源波导层，改变了近场光斑的纵向尺寸，使出光腔面的近场光斑和光纤的模场半径相匹配，与光纤具有极高的耦合效率。
59.根据本发明的实施例，w1与w2的差值大于等于2μm，使得掩埋倾斜波导层出光腔面较大，有效降低了腔面的光强密度，进而降低发生comd的功率，同时大腔面提高了半导体光放大器的耦合效率，提高了对准允差。
60.根据本发明的实施例，通过设置锥形倾斜波导宽端面宽度为w1为5-10μm，保证半导体光放大器出光面尺寸与单模光纤的芯径相近，使得半导体光放大器与光纤具有较大的模场交叠，提高了耦合效率及对准允差，降低了耦合的工艺难度和耦合对准的成本。
61.掩埋倾斜波导层的出光面远小于现有技术中半导体光放大器的出光面
62.根据本发明的实施例，其中，掩埋倾斜波导层与半导体光放大器芯片的端面法线的夹角为倾斜角α，α的范围为2-15
°
。
63.根据本发明的实施例，为了获得光滑平坦的增益谱，半导体光放大器的端面反射率应尽可能地低，半导体光放大器的光传播方向相对端面的垂直方向有一定角度的倾斜，可以有效地将端面反射率降低。随着倾斜角的增加，端面相对反射率降低，远场不对性的增加，影响半导体光放大器与光纤之间的耦合效率，因此，将掩埋倾斜波导层与半导体光放大器芯片的端面法线的夹角设置为2-15
°
，能够在有效降低端面反射率的前提下保证半导体光放大器与光纤之间的耦合效率。
64.根据本发明的实施例，倾斜角α优选为4-8
°
，例如：4
°
，5
°
，6
°
，7
°
，8
°
。
65.根据本发明的实施例，锥形倾斜波导和条形倾斜波导的倾斜角度相同，减少了光波在掩埋倾斜波导层中的反射和衍射。
66.根据本发明的实施例，掩埋倾斜波导层还可以为楔形波导和斜条波导。
67.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半导体光放大器芯片，包括依次层叠设置的如下组成部分：下电极层、衬底、缓冲层、无源波导层、掩埋异质有源区、掩埋倾斜波导层、盖层和上电极层；其中，所述掩埋倾斜波导层，包括：条形倾斜波导；以及锥形倾斜波导，其中，所述锥形倾斜波导与所述条形倾斜波导光学连接。2.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述掩埋倾斜波导层与所述半导体光放大器芯片的端面法线的夹角为倾斜角α，所述α的范围为2-15
°
。3.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述锥形倾斜波导长度为l1，其中，l1的范围为500-800μm；所述条形倾斜波导长度为l2，l2的范围为50-200μm。4.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述锥形倾斜波导的宽端面宽度为w1，w1设置为5-10μm，所述条形倾斜波导的端面宽度为w2，w2的范围为3-8μm，w1与w2的差值大于等于2μm。5.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述掩埋异质有源区为应变多量子阱结构，所述应变多量子阱的个数至少为5个。6.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述上电极层形成有向下的凸起部，所述凸起部两侧分布有氧化硅隔离层；所述无源波导层、所述掩埋异质有源区和所述掩埋倾斜波导层形成脊型结构，所述脊型结构的两侧分布有限制层。7.根据权利要求6所述的芯片，其中，所述限制层的材料与所述掩埋异质有源区的材料之间具有相对折射率差。8.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述盖层的材料与所述掩埋异质有源区的材料之间具有相对折射率差。9.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述掩埋异质有源区与所述掩埋倾斜波导层部分重叠，所述掩埋倾斜波导层伸出所述掩埋异质有源区外的部分与所述无源波导层重叠。10.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述芯片端面镀有多层抗反射介质膜。

技术总结
本发明公开了一种半导体光放大器芯片，包括依次层叠设置的如下组成部分：下(N面)电极层、衬底、缓冲层、无源波导层、掩埋异质有源区、掩埋倾斜波导层、盖层和上(P面)电极层；掩埋倾斜波导层包括：条形倾斜波导、锥形倾斜波导，其中，所述锥形倾斜波导与所述条形倾斜波导光学连接。由于掩埋倾斜波导层中的条形倾斜波导和宽度渐变的锥形倾斜波导倾斜设置，具有一定倾角，避免了光波在半导体光放大器内部发生谐振，使得光波仅在其中发生单程的光增益放大。锥形倾斜波导的宽度渐变，使其在芯片端面处具有较大的横向尺寸，使得半导体光放大器与光纤具有较大的模场交叠，从而具有较大的耦合效率和对准允差。和对准允差。和对准允差。


技术研发人员：谭满清 游道明
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2022.02.18
技术公布日：2022/5/25