带水平激射结构的增益钳制半导体光放大器及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及到一种光放大器。尤其是，本发明涉及到一种带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器以及制造增益钳制半导体光放大器的方法，其中用于增益钳制的激光振荡方向与信号的放大方向不同。
背景技术
在通常的光学通讯系统中，当由发射器发射的光沿着光传输线路传播时，会发生传输损耗，因而到达接收器的信号减弱。当到达接收器的光的功率小于预定值时，由于接收错误会使正常的光学通信无法执行。因此，在发射器和接收器之间提供了一个光放大器以对光进行放大，进而补偿了沿着光传输路线发射的光地传输损耗，并使要被发射的光没有一点儿错误地达到一个更远的距离。
这样的光放大器包括掺铒光纤放大器(下文中被称作EDFA)，一个Raman(喇曼)放大器，以及一个半导体光放大器(下文中被称作SOA)。
EDFA使用一种掺杂了稀土元素(例如，铒)的光纤用于放大，具有高增益特性，低噪声系数(NF)，以及高饱和输出功率，因此EDFA广泛地用于中枢网络以及地下铁道网络。然而，EDFA的问题在于价格昂贵并且操作波长有限。
Raman放大器在光纤中使用Raman放大，是一种使用一种所谓的Raman放大现象对光进行放大的方法。根据Raman放大，当强光的泵浦入射到光纤时，由于受激Raman散射，在距离泵浦光的波长约100nm距离的较长波长侧出现增益。具有上述增益的波长带的光入射到受激的光纤，以使光被放大。Raman放大器可以通过适当设置用于Raman放大的泵浦光的波长来容易地调整放大带，并且具有低噪声系数。然而，Raman放大器的缺点在于它不仅具有非常低的光放大效率而且需要高价格的泵浦光源，因而增加了光放大器模块的总体尺寸以及光放大器模块的价格。
SOA使用半导体的增益特性并且可以根据半导体的带隙来调整它的放大带。SOA的优点在于它的尺寸小(通常是几个cm)，并且尤其不需要高价格的泵浦光源。
然而，SOA通常在低输入功率时有一种增益饱和现象，并且在输入信号的强度增加时增益值降低。因此，当具有大光功率的信号被输入时，在信号放大的过程中输入的信号失真，而被传输。
为了解决这种问题，提出了一种具有图1所示结构的增益钳制SOA。
图1示出了一种传统的增益钳制半导体光放大器(增益钳制SOA)100的结构。增益钳制SOA100包括一个n-InP衬底101，一个InGaAsP无源波导层102，一个InP隔离片103，一个DBR晶格图案104，一个有源层波导105，一个电流阻挡层106，一个p-InP包层107，一个用于降低欧姆接触阻抗的p-InGaAs层108，一个氧化层109，一个上电极110，以及一个下电极111。
增益钳制SOA100在要被放大的输入信号的波长范围以外的短波长里包括激光振荡。增益钳制SOA使用分布的布拉格反射晶格以固定谐振器内的载波密度，以便即使驱动电流增加也使光学增益保持恒定。
然而，在传统的增益钳制SOA里，存在一个问题，即信号的第一行进方向(图1中“A”所示)与激光束的第二行进方向(图1中“B”所示)相同以引起振荡。因此，当几个通道的信号被放大时，在振荡波长与信号波长之间产生四波混合现象。而且，传统的增益钳制SOA还有另一个问题，即需要一个单独的波长滤波器以清除激光的振荡波长。
【发明内容】
相应地，在本发明的许多特征中，其中之一是它解决了上述问题。本发明提供了一种带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器，其中激光的振荡方向与信号的放大方向不同，以及本发明提供了一种制造增益钳制半导体光放大器的方法。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器，它包括：一个增益层，用于放大光学信号；一个布拉格晶格层，沿着增益层的纵向形成于增益层的两侧，用于使具有相应波长的光在与增益层的纵向垂直的方向上谐振；一个无源光波导层，用于限制光在布拉格晶格层的晶格之间谐振；一个电极，用于提供电流给增益层；以及一个电流阻挡层，用于防止电流流到除增益层以外的区域。
优选方式是，无源光波导层最好形成于布拉格晶格层的上面或下面或之上或之下。
更优选方式是，增益钳制半导体光放大器最好还包括一个相位变换区域，形成在布拉格晶格层的一侧，以及一个相位变换电极，用于提供电流给相位变换区域。
为实现上述目的，根据本发明的一种实施方式，提供了一种用于制造带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器的方法，此方法包括如下步骤：a)除了预定的增益层形成区域外，在第一导电的半导体衬底上，形成一个布拉格晶格层；b)在具有布拉格晶格层的第一导电的半导体衬底上，形成第一导电的下包层，一个光波导层，以及第一导电的上包层；c)在预定的增益层形成区域的第一导电的上包层上，形成一个增益层和第二个导电的包层；d)在没有形成增益层的第一导电的上包层的预定区域上形成一个电流阻挡层；以及e)在第二个导电的包层和其上没有形成电流阻挡层的第一导电的上包层的预定区域的上面或之上，形成一个电极，其形成方式是电极包围着增益层。
为实现本发明的上述方面，提供了一种方法用于制造带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器，此方法包括如下步骤：a)在第一导电的半导体衬底上，形成一个增益材料层以及第二导电的下包层；b)在预先确定的增益层形成区域的第二导电的下包层上，形成一个掩模图案，通过使用掩模图案作为蚀刻掩模的可选择的蚀刻过程，形成一个具有台式结构的增益层，以及在第一导电的半导体衬底里与增益层的侧壁相应的位置处，形成一个蚀刻沟槽；c)在蚀刻沟槽上形成一个电流阻挡层；d)在电流阻挡层上形成一个光波导层，它包括一种折射率高于第一导电的半导体衬底的材料；e)在光波导层上形成一个布拉格晶格层；f)在布拉格晶格层和增益层的整个表面上形成第二个导电的上包层；以及g)在第二个导电的上包层上形成一个电极，用于给增益层提供电流。
【附图说明】
本发明的上述和其它目的，特征和优点会在下面结合附图的详细描述中显而易见，其中：
图1是示出传统的增益钳制半导体光放大器结构的示意图；
图2是示出根据本发明的一个方面的带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器的构造的视图；
图3是沿图2中I-I线的剖视图；
图4a到4e是阐述根据本发明的一个方面的带有水平激射结构的脊型增益钳制半导体光放大器的制造过程的视图；
图5是示出根据本发明的另一方面的带有水平激射结构的隐埋异质结构增益钳制半导体光放大器的构造的视图；
图6a到6e是阐述根据本发明的又一方面的带有水平激射结构的隐埋异质结构增益钳制半导体光放大器的制造过程的视图。
【具体实施方式】
下文中，参照附图描述本发明。相同的标号用于表示与其它图形中相同的元件。在本发明的下面描述中，当已知的功能和构造可能会遮掩本发明的主题时，其详细描述会被省略。
图2是示出根据本发明的一个方面的带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器200的构造的视图，图3是沿图2中I-I’线的剖视图。增益钳制半导体光放大器200(下文中被称作增益钳制SOA)包括一个半导体衬底201，一个布拉格(Bragg)晶格层202，一个n-InP下包层203，一个无源光波导层204，一个n-InP上包层205，一个增益层206，一个p-InP包层207，一个电流阻挡层208，一个电极209。除此之外，SOA200包括一个相位变换区域210和一个相位变换电极211。
布拉格晶格层202使具有相应波长的光在布拉格晶格层202的布拉格晶格之间谐振，以使布拉格激光振荡沿水平方向产生。布拉格晶格层202形成于无源光波导层204之上或之下。在这种特殊情况下，布拉格晶格层202形成在无源光波导层204之下，但本领域的普通技术人员都明白布拉格晶格层也可以形成在无源光波导层之上。
为了限制由形成于布拉格晶格层202两侧的布拉格晶格引起谐振的模式的光学损失，并有效地执行布拉格反射，无源光波导层204在布拉格晶格层202与增益层206之间提供高的光限制系数，并且其折射率高于半导体衬底201。
增益层206对输入的光信号进行放大并且形成在n-InP上包层205的一部分上，在包层205下面没有形成布拉格晶格层202。p-InP包层207形成在增益层206上。
电流阻挡层208防止电流流到除增益层206以外的区域，进而提高增益层206的电流效率。这样的电流阻挡层208形成在增益层206的周边区域以及n-InP上包层205除相位变换区域210以外的部分中。
电极209提供电流给增益层206并且形成在n-InP上包层205的一个较宽的区域上以在制造模块时导线可以被容易地连接。
相位变换区域210通过激光波长调节来调整激光的临界电流，进而调整增益钳制SOA200的增益值。相位变换区域210可通过从布拉格晶格层202预定部分省略布拉格晶格来获得。即，通过施加偏压所产生的相位的变化取决于波导结构以及相位部分(phase section)的长度。因而，为了增加相位变换，必须省略更多的布拉格晶格。
相位变换电极211可以通过改变施加到相位变换区域210的电流或电压来改变激光的振荡波长。相位变换电极211形成在相位变换区域210的电流阻挡层208的上面，或者n-InP上包层205的上面。当激光的振荡波长改变时，振荡所需的驱动电流和电荷密度改变，这是因为增益区的增益曲线依波长而不同。结果，增益钳制SOA200的增益值在要被放大的波长范围内改变。
下文中描述具有水平激射结构的增益钳制SOA200的操作。参照图2和3，当泵浦电流注入到增益层206内时，会产生自发发射，所述自发发射导致从较高能级的第一传导带到较低能级的第二传导带的跃迁，以致由于跃迁到较低能级的价电子带而发生受激发射。由增益层206的自发发射所产生的光的一部分被限制在无源光波导层204内。满足布拉格晶格谐振条件的受限光的特定波长通过形成在无源光波导层204和增益层206以及增益层206的两侧之间的谐振间隔被重复地反馈。每当发生一次反馈，具有预定波长的光两次通过增益层206以通过由于密度转变(或数目转变)而产生的受激发射来获得增益。增益层206的增益与电流的增加成比例，以致由于在水平方向的一次反馈而使光增益大于光损失，并且发生振荡。当开始发生这样的振荡时，增益层的电荷密度被钳制，以致产生增益钳制特征，其中即使驱动电流增加器件的增益也不会再增加。当电流持续增加超过振荡电流时，增益不再增加，但只有振荡波长的光强度会持续增加。此时，光在增益层206的纵向“A”被放大，并且在水平方向“B”发生激光振荡。
图4a到4e是阐述图2所示的脊型增益钳制SOA的制造过程的视图。
首先，如图4a所示，折射率与n-InP衬底201和n-InP下包层203不同的材料的材料层202’形成在n-InP衬底201上以在n-InP衬底201上形成布拉格晶格。
在图4b中，布拉格晶格层202通过选择性蚀刻方法形成在除了预定的增益层形成区域和相位变换区域210以外的n-InP衬底201上。在制造过程的这一阶段，还没有形成相位变换区域210，布拉格晶格层202可以形成在n-InP衬底201上除了增益层形成区域以外的区域。布拉格晶格层202可以以传统的方式成形，除非某人考虑到使用在本发明中的晶格的数量和布置。在图4c中，n-InP下包层203，无源光波导层204，n-InP上包层205，增益材料层206’，p-InP包层207顺序地在之前形成的布拉格晶格层202以及n-InP下包层203上形成。增益材料层206’形成为一个整体结构或量子势阱结构，并且可以通过根据输入光信号的波长调整形成增益层的材料的成分比例或增益层206的厚度来调整放大带。在图4c中，虚线圆里的台阶形图形表示组合材料层201到207的带隙。此时，布拉格晶格层202可以形成在无源光波导层204的上面或下面。根据这个特殊的图例，布拉格晶格层202形成在无源光波导层204的下面。而且，尽管没有示出，也有可能增加蚀刻终止层形成步骤以形成脊型的波导。
参照图4d，增益层206是通过使用SiO2掩模或SiNx掩模的蚀刻过程来选择性地蚀刻增益材料层206’而形成的。在选择性蚀刻过程结束后，SiO2或SiNx电流阻挡层208形成在整个结构上。接下来，执行光掩模过程和蚀刻过程以将注入了电流的增益区域暴露。之后，形成电极209。
如图4e所示，相位变换电极211形成在电流阻挡层208上与相位变换区域210相应的区域。除此之外，电极212形成在n-InP衬底201的下侧。
同时，根据本发明的带有水平激射结构的增益钳制SOA除了图2中的脊型增益钳制SOA200，也可以形成一种隐埋异质结构。
图5示出了根据本发明的另一方面的带有水平激射结构的隐埋异质结构增益钳制半导体光放大器300的构造。
参照图5，增益钳制半导体光放大器300(下文中被称作增益钳制SOA)包括一个半导体衬底301，一个增益层302，一个p-InP上包层303，一个电流阻挡层309，一个光波导层310，一个p-InP上包层311，一个布拉格晶格层312，一个p-InP上包层313，一个绝缘层314，电极315和316。除此之外，SOA300还包括一个相位变换区域320和一个形成在相位变换区域320上的相位变换电极321。
带有水平激射结构的隐埋异质结构增益钳制SOA300的操作与图2中的脊型增益钳制SOA200相似，因此下面省略了它的详细描述。
图6a到6e是阐述具有图5中的隐埋异质结构的增益钳制SOA300的制造过程的视图。
首先，如图6a所示，增益材料层302’和p-InP包层303形成在n-InP衬底301上。
在图6b中，掩模图案304通过使用SiO2或SiNx掩模的蚀刻过程形成在与预定的增益层形成区域相应的p-InP包层303上。接下来，具有台式结构的增益层302和蚀刻沟槽305通过使用掩模图案304作为蚀刻掩模的蚀刻过程来选择性地清除p-InP包层303，增益材料层302’，以及n-InP衬底301而形成。
在图6c中，包括p-InP层306，n-InP层307，以及p-InP层308的电流阻挡层309形成在蚀刻沟槽305内。接下来，包括折射率高于n-InP衬底301的材料的光波导层310形成在电流阻挡层309上。接下来，薄的p-InP层311，折射率高于InP的材料层312’，以及薄的p-InP层313形成。此时，增益层302和光波导层310之间的间距最好在2μm内，这是为了增益层302和光波导层310之间的模式的光耦合。
在图6d中，布拉格晶格312形成在除了相位变换区域320以外的区域上。与上述的先前的实施例相似，布拉格晶格312可以形成在光波导层310的上面或下面。根据这个特殊的图例，布拉格晶格312形成在光波导层310的上面(但它也可以在光波导层310的下面)。而且，如果需要，相位变换区域320也可以不形成，并且形成布拉格晶格312的方法与用于通常的波长反馈激光的传统方法相同。在图6d中，虚线圆里的台阶形图形表示电流阻挡层309，光波导层310，p-InP包层311，布拉格晶格312，以及p-InP包层313的带隙。
参照图6e，在上述构造的状态，p-InP包层313再次形成，并且SiO2或SiNx绝缘层314沉积在p-InP包层313上。然后，在执行了光掩模过程和蚀刻过程以暴露注入了电流的区域之后，电极315形成。除此之外，施加电流给相位变换区域320的电极321形成，并且电极316形成在n-InP衬底301的下侧。在制造过程的这一阶段，提供电流给增益层302的电极315以及提供电流给相位变换区域320的相位变换电极321单独形成。
如上所述，根据带有水平激射结构的增益钳制半导体光放大器，激光的振荡方向与信号的放大方向不同(例如，看图2中的方向“A”和“B”)。相应地，没有必要带有一个单独的滤光器以清除用于增益钳制的激光波长。而且，由于施加到相位变换器的电流或电压的变化而使激光的振荡波长改变，以使半导体光放大器的固定增益可以调整。
尽管参照优选实施例示出和描述了本发明，但在不偏离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对其在形式和细节上做各种变化，这对本领域的普通技术人员来说是容易理解的。