耦合波导、 其制作方法及应用其的半导体光电子器件 技术领域 本发明涉及光电子器件技术领域， 尤其涉及一种耦合波导、 其制作方法及应用其 的半导体光电子器件。
背景技术 微波链路在通讯、 信号处理和雷达等方面有着重要的应用。 然而， 随着微波频率的 提高， 微波射频信号在电缆线和波导中的损耗迅速增大， 尤其是在毫米波波段。
微波光纤链路用微波信号来进行光强度调制， 并且通过光纤进行传输或分发到光 接收机， 通过光接收机来还原微波信号。 从链路两端来看， 微波光纤链路与微波链路完全等 效， 且由于光纤的光损耗非常小， 因此大大增加了高频微波信号的传输距离。 正因为微波光 纤链路的这个优势， 其在无线通信、 有线电视、 相控阵天线、 远程天线等领域有广泛的应用。
微波光纤链路中， 激光器的噪声会恶化链路的噪声系数， 调制器的非线性也会减 小链路的无杂散动态范围 (SFDR)。 所以， 微波光纤链路与有源微波链路类似， 其重要的性能
参数为 ： 1、 微波增益和带宽 ； 2、 噪声系数 (NF) ； 3、 无杂散动态范围 (SFDR)。
为了提高微波增益、 减小噪声系数， 最为有效的手段就是提高工作点光功率， 因而 要求光调制器和探测器具有高饱和光功率特性。对于半导体的光调制器和探测器， 在高光 功率条件下将面临光学非线性、 光生载流子堆积等问题。这些问题将直接导致器件出现光 功率饱和现象， 从而出现转换效率下降的后果。解决这些问题的方法可从材料优化和器件 结构优化两方面入手。目前， 器件结构优化方面有采用大光腔的方法， 来降低整个器件中 有源区的光限制因子， 减小了光生载流子密度。这有效提高了器件的饱和光功率。但由于 整个器件中的光限制因子都较小， 光吸收不够充分， 导致驱动电压增大， 减小链路的微波增 益。为了克服这个缺点， 降低驱动电压， 大光腔结构的调制器其器件长度往往较长， 这又会 带来器件带宽下降、 插入损耗增加、 制作难度提高等问题。
分析电吸收调制器中光传播过程， 在整个电吸收调制器中， 由于吸收的作用， 光沿 着传播方向越来越弱。也就是说， 对于传统的波导结构， 在光入射端有源区光密度最大， 即 光生载流子浓度最大， 最容易出现饱和效应。而在波导后端， 由于光吸收作用， 有源区的光 密度已经远远小于输入端的有源区光密度， 导致波导后端光吸收很弱， 不利于实现较小的 驱动电压。因此， 为了实现较大的饱和光功率， 只需要减小输入端有源区光密度即可。 发明内容
( 一 ) 要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是 ： 提供一种耦合波导、 其制作方法及应用其的半导体 光电子器件， 以根据需要对耦合波导各处横向光场的分布进行调整， 进而优化器件光限制 因子的分布。
( 二 ) 技术方案
为解决上述问题， 一方面， 本发明提供了一种耦合波导， 包括从下往上依次分布的衬底、 下波导包层、 第一波导芯层、 隔离层、 第二波导芯层和上波导包层， 所述第一波导芯层 为有源波导层， 所述第二波导芯层为耦合导引波导层， 所述第二波导芯层具有横向宽度沿 导光方向逐渐变化的宽度渐变段， 所述上波导包层覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧 面。
优选地， 所述第二波导芯层宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽、 再逐 渐变窄。
优选地， 所述第一波导芯层为多量子阱有源层。
优选地， 所述耦合波导为脊波导， 所述隔离层、 第二波导芯层和上波导包层形成所 述脊波导的脊形部分。
另一方面， 本发明提供了一种上述耦合波导的制作方法， 包括以下步骤 ：
S1 ： 在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层、 第一波导芯层、 隔离层以及 第二波导芯层 ；
S2 ： 对所述第二波导芯层进行处理， 形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变 段；
S3 ： 进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧面的上波导包层。
优选地， 所述对第二波导芯层进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述第二波导 芯层上制作掩膜， 再通过先干法刻蚀、 后湿法腐蚀所述第二波导芯层的过程。
优选地， 在所述步骤 S3 之后还包括通过干法对所述上波导包层和隔离层进行刻 蚀以形成脊波导的步骤。
又一方面， 本发明提供了一种具有上述耦合波导的半导体光电子器件， 所述半导 体光电子器件包括电吸收调制器或光探测器， 所述耦合波导第二波导芯层与所述电吸收调 制器或光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。
优选地， 所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器或光探测器共用同一 耦合波导的半导体光放大器， 所述耦合波导的第二波导芯层与所述半导体光放大器对应部 分的横向宽度沿导光方向逐渐变宽。
优选地， 所述半导体光放大器与所述电吸收调制器或光探测器沿导光方向先后相 邻设置， 所述第二波导芯层的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。
优选地， 所述第一波导芯层材料的对应波长为 1260 ～ 1600nm、 所述第二波导芯层 材料的对应波长为 1000 ～ 1500nm。
优选地， 所述第一波导芯层材料的对应波长为 700 ～ 1000nm、 所述第二波导芯层 材料的对应波长为 500 ～ 900nm。
优选地， 所述电吸收调制器的出光端面上设有一层端面反射率范围在 10-8 到 10％的介质膜。
优选地， 所述光探测器的出光端面上有一层端面反射率在 90％以上的介质膜。
( 三 ) 有益效果
本发明的耦合波导通过对第二波导芯层宽度进行调节， 可以对器件内光限制因子 的分布进行优化。本发明的电吸收调制器或光探测器通过使用上述耦合波导， 使其入射端 光限制因子较小， 出射端光限制因子较大， 从而使得器件各处的光生载流子密度相同， 即光 吸收均匀化。 这种结构有效地防止了器件内局部光生载流子过多， 出现局部饱和的现象， 大大增加了器件的饱和光功率。另外， 应用了上述耦合波导的电吸收调制器由于在整个调制 器内光吸收率都很接近， 提高了光的吸收效率， 可以防止驱动电压增大。 附图说明
图 1 为根据本发明实施例半导体光电子器件的结构示意图 ；
图 2 为根据本发明实施例半导体光电子器件的层结构示意图 ；
其中 ： 1： 衬底 ； 2： 下波导包层 ； 3： 第一波导芯层 ； 4： 隔离层 ； 5： 第二波导芯层 ； 6： 上波导包层 ； 7： 欧姆接触层 ； 8： 电吸收调制器电极 ； 9： 半导体光放大器电极 ； 10 ： N 电极 ； 11 ： 电极隔离槽 ； 12 ： 聚酰亚胺绝缘层 ； 13 ： SiNx 绝缘层 ； 21 ： 第一缓冲层 ； 22 ： 第二缓冲层 ； 23 ： 第一波导芯层下限制层 ； 41 ： 第一波导芯层上限制层 ； 42 ： 第三缓冲层 ； 43 ： 第一隔离子 层； 44 ： 腐蚀停止层 ； 45 ： 第二隔离子层 ； EAM ： 电吸收调制器 ； SOA ： 半导体光放大器。 具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
实施例一 ： 如图 1 所示， 本实施例的耦合波导， 包括从下往上依次分布的衬底 1( 衬底 1 在图 1 中没有示出 )、 下波导包层 2、 第一波导芯层 3、 隔离层 4、 第二波导芯层 5 和上波导包层 6， 所述第一波导芯层 3 为有源波导层， 所述第二波导芯层 5 为耦合导引波导层， 所述第二波导 芯层 5 具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的宽度渐变段， 所述上波导包层 6 覆盖于所述第 二波导芯层 5 的上方和侧面。
在本实施例中， 所述第二波导芯层 5 宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变 宽、 再逐渐变窄。在本发明的其它实施例中， 根据耦合波导应用的需要， 所示第二波导芯层 5 宽度渐变段的横向宽度还可以呈现为其它形式的变化。
在本实施例中， 所述第一波导芯层 3 为多量子阱有源层。在本发明的其它实施例 中， 所示第一波导芯层 3 还可以为量子线、 量子点以及体材料有源层。
在本实施例中， 所述耦合波导为脊波导， 所述隔离层 4、 第二波导芯层 5 和上波导 包层 6 形成所述脊波导的脊形部分。当然， 在本发明的其它实施例中， 耦合波导还可以为其 它的结构形式。
实施例二 ：
一种上述耦合波导的制作方法， 包括以下步骤 ：
S1 ： 在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层 2、 第一波导芯层 3、 隔离层 4 以及第二波导芯层 5 ；
S2 ： 对所述第二波导芯层 5 进行处理， 形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变 段；
S3 ： 进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯层 5 的上方和侧面的上波导包层 6。
在本实施例中， 所述对第二波导芯层 5 进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述 第二波导芯层 5 上制作掩膜， 再通过先干法刻蚀、 后湿法腐蚀所述第二波导芯层 5 的过程。 在其它实施例中， 还可以采用其它方法来对第二波导芯层 5 的横向宽度进行改变， 得到需 要形状的宽度渐变段。
在本实施例中， 在所述步骤 S3 之后还包括通过干法对所述上波导包层 6 和隔离层 4 进行刻蚀以形成脊波导的步骤。
实施例三 ：
如图 1 所示， 一种具有实施例一所述的耦合波导的半导体光电子器件， 所述半导 体光电子器件包括电吸收调制器 EAM， 所述耦合波导第二波导芯层 5 与所述电吸收调制器 EAM 对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。
所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器 EAM 共用同一耦合波导的半 导体光放大器 SOA， 所述耦合波导的第二波导芯层 5 与所述半导体光放大器 SOA 对应部分的 横向宽度沿导光方向逐渐变宽。
所述半导体光放大器 SOA 与所述电吸收调制器 EAM 沿导光方向先后相邻设置， 所 述第二波导芯层 5 的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。
所述第一波导芯层 3 材料的对应波长为 1260 ～ 1600nm、 所述第二波导芯层 5 材料 的对应波长为 1000 ～ 1500nm。
所述第一波导芯层 3 材料的对应波长为 700 ～ 1000nm、 所述第二波导芯层 5 材料 的对应波长为 500 ～ 900nm。 所述电吸收调制器 EAM 的出光端面上设有一层端面反射率范围在 10-8 到 10％的 介质膜， 即抗反射镀膜。
实施例四 ：
一种具有实施例一所述的耦合波导的半导体光电子器件， 包括光探测器， 所述耦 合波导第二波导芯层 5 与所述光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。
所述半导体光电子器件还包括与所述光探测器共用同一耦合波导的半导体光放 大器 SOA， 所述耦合波导的第二波导芯层 5 与所述半导体光放大器 SOA 对应部分的横向宽度 沿导光方向逐渐变宽。
所述半导体光放大器 SOA 与所述光探测器沿导光方向先后相邻设置， 所述第二波 导芯层 5 的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽再逐渐变窄。
所述第一波导芯层 3 材料的对应波长为 1260 ～ 1600nm、 所述第二波导芯层 5 材料 的对应波长为 1000 ～ 1500nm。
所述第一波导芯层 3 材料的对应波长为 700 ～ 1000nm、 所述第二波导芯层 5 材料 的对应波长为 500 ～ 900nm。
所述光探测器的出光端面上有一层端面反射率在 90％以上的介质膜， 即高反射镀 膜。
实施例五 ：
本实施例为实施例三更为具体的实施方式， 如图 1 和图 2 所示， 本实施例的半导体 光电子器件包括从下往上依次分布的 N 电极 10， 衬底 1， 构成下波导包层 2 的第一缓冲层 21、 第二缓冲层 22 和第一波导芯层下限制层 23， 作为第一波导芯层 3 的多量子阱有源层， 构 成隔离层 4 的第一波导芯层上限制层 41、 第三缓冲层 42、 第一隔离子层 43、 腐蚀停止层 44 和第二隔离子层 45， 第二波导芯层 5、 上波导包层 6、 欧姆接触层 7 以及欧姆接触层 7 上的 P 型电吸收调制器电极 8 和半导体光放大器电极 9。其中在电吸收调制器电极 8 和半导体光 放大器电极 9 之间设有将所述电吸收调制器电极 8 和半导体光放大器电极 9、 以及分别与
二者连接的欧姆接触层 7 隔断的电极隔离槽 11。其中多量子阱有源层的结构为 ： 12 对量子 阱， 阱宽 10nm， 光荧光波长 1550nm， 垒宽 10nm， 光荧光波长 1200nm ； 第二波导芯层 5 材料对 应光荧光波长 1360nm。
本实施例的电吸收调制器 EAM 和半导体光放大器 SOA 共用一个高掺杂的 n 型 InP 衬底材料， 其制作方法为 ：
先在衬底 1 上一次外延生长至第二波导芯层 5 ；
然后用光刻胶或 SiNx 做掩膜， 用干法刻蚀和湿法腐蚀第二波导芯层 5， 制作出具 有宽度渐变段的第二波导芯层 5 的形状 ；
再采用二次外延， 生长其他的材料层， 完全覆盖第二波导芯层 5， 形成上波导包层 6；
接着通过干法对所述上波导包层 6 和隔离层 4 进行刻蚀以形成脊波导， 其中半导 体光放大器 SOA 长 500μm， 采用低脊波导结构， 脊宽为 2μm， 深度约 2.1μm ； 电吸收调制器 EAM 长 70μm， 采用高脊波导结构， 脊宽为 2μm， 深约 3μm ；
为提高调制器带宽， 电吸收调制器电极 8 台下用聚酰亚胺绝缘层 12 填充， 电吸收 调制器 EAM 和半导体光放大器 SOA 表面采用 SiNx 绝缘层 13， 脊条上的 SiNx 绝缘层去掉 ； 最后通过刻蚀隔离槽的方法形成所述的电极隔离槽 11 并在电吸收调制器 EAM 的 出光端镀上抗反射镀膜。
在本实施例中， 也可以将所述的电吸收调制器 EAM 替换成光探测器， 在光探测器 的情况下， 出光端镀高反射镀膜。
本发明的耦合波导通过对第二波导芯层 5 宽度进行调节， 可以对器件内光限制因 子的分布进行优化。
以上实施方式仅用于说明本发明， 而并非对本发明的限制， 有关技术领域的普通 技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型， 因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴， 本发明的专利保护范围应由权利要求限定。