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寬光譜SOA光芯片設(shè)計(jì)(一)

wangdell938 ? 來源:wangdell938 ? 作者:wangdell938 ? 2024-03-26 10:23 ? 次閱讀

-本文翻譯自由Geoff H. Darling于2003年撰寫的文章。盡管文章較早,但可以了解一些SOA底層原理,并可看到早期SOA研究的思路和過程,于今仍有很高借鑒價(jià)值。

摘要

本文介紹一種新型寬光譜半導(dǎo)體光放大器(SOA)技術(shù),通過電控可調(diào)光譜形狀的超寬光譜,來滿足粗波分復(fù)用和城域網(wǎng)中出現(xiàn)的新放大需求。使用分子束外延在InGaAsP材料中制造多量子阱SOA,每個(gè)器件中沿其長度方向由兩段組成。使用無雜質(zhì)量子阱混合技術(shù)在每段的增益譜之間產(chǎn)生相對(duì)光譜藍(lán)移。在總長500um-1600um的單段或雙段SOA器件上光學(xué)增益可達(dá)15dB。通過優(yōu)化每段的偏置電流,從雙段SOA獲得了超過130nm的3dB帶寬,相比傳統(tǒng)的單段器件的帶寬提高了50nm。

第一章2003年半導(dǎo)體光放大器

1.1簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體光學(xué)放大器(SOA)或行波光放大器通常是是具有抗反射涂層刻面的法布里-珀羅激光腔。耦合到腔一側(cè)的光在單次通過該器件時(shí)被放大。Kobayashi和Kimura于1984年首次提出了這種簡(jiǎn)單的實(shí)施方案及其應(yīng)用。從那時(shí)起,光纖通信行業(yè)的持續(xù)增長推動(dòng)了SOA的研究。這項(xiàng)研究還催生了一些新的應(yīng)用。不同類型光放大器的市場(chǎng)應(yīng)用主要取決于增益介質(zhì)中的激發(fā)態(tài)壽命。摻鉺光纖放大器(EDFA)具有幾毫秒量級(jí)的較長壽命。這導(dǎo)致增益響應(yīng)滯后,并平滑泵浦功率或輸入信號(hào)的任何變化。這在波分復(fù)用系統(tǒng)中是有益的,它阻止了信道間串?dāng)_。然而,當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度改變時(shí),需要復(fù)雜的電路來防止增益瞬變?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生震蕩。半導(dǎo)體的激發(fā)態(tài)壽命比EDFA短六個(gè)數(shù)量級(jí)。半導(dǎo)體的增益具有亞納秒的壽命,可以快速響應(yīng)注入電流的變化,從而提供了消除增益瞬態(tài)的直接方法。為了將SOA的信道間串?dāng)_降低到WDM應(yīng)用可接受的水平,在一些商用SOA中采用了增益箝位技術(shù)[2,3],當(dāng)SOA光譜譜寬45至60nm目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)35dB的小信號(hào)增益[4]。研究人員正在探索利用SOA中的快速增益動(dòng)力學(xué)進(jìn)行光信號(hào)處理的方法。已經(jīng)提出并驗(yàn)證了使用光脈沖來影響相移的全光開關(guān)[5,6]。波通過使用強(qiáng)強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)的比特模式并通過增益飽和來調(diào)制另一波長的弱連續(xù)光束的增益實(shí)現(xiàn)了波長變換[7,8]。圖1.1展示了SOA的研究重點(diǎn),為本次調(diào)查提供了背景。

半導(dǎo)體光放大器在未來的光網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有許多應(yīng)用。接下來將討論驅(qū)動(dòng)這項(xiàng)研究的光放大器面臨的一些具體需求和挑戰(zhàn)。

1.2 SOA的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1.2.1 高增益帶寬

粗波分復(fù)用(CWDM)技術(shù)與密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)相比,其通過犧牲譜寬,降低光器件性能容限的方式降低了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。CWDM在1260到1620nm帶寬范圍內(nèi),為每個(gè)傳輸波道分配了20nm窗口,由于采用了寬的波道,降低了對(duì)激光器波長控制要求,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和制造。與傳統(tǒng)的DWDM技術(shù)相比,CWDM設(shè)備的成本預(yù)計(jì)低30%[9]。然而,由于CWDM占據(jù)了整個(gè)低損耗光纖窗口,對(duì)現(xiàn)有的光放大器提出了重大挑戰(zhàn)。摻鉺和銩的光纖放大器通常僅提供40nm的增益帶寬[10]。拉曼放大器是分布式的,價(jià)格昂貴,單次只能提供20-90nm的增益[11]。因此,通過擴(kuò)展SOA的增益帶寬,可以提供一種新型CWDM系統(tǒng)光放大解決方案。

1.2.2 集成度及靈活性

城域網(wǎng)(MAN)必須兼顧成本和性能,而降低成本的一個(gè)主要方法就是光子集成,這需要一種更容易與有源和無源器件集成的芯片式光放大器,SOA是集成放大的最佳選擇。城域網(wǎng)(MAN)還必須具有可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性,以適應(yīng)需求的變化,需要能夠滿足不斷網(wǎng)絡(luò)流量不斷提高的光放大器,這需要光譜增益形狀可調(diào)的SOA。

1.3設(shè)計(jì)目標(biāo)-高帶寬SOA

需要設(shè)計(jì)一款具有寬光譜和可調(diào)光譜形狀的光學(xué)放大器。已有技術(shù)允許在多量子阱SOA中對(duì)增益譜進(jìn)行后生長修改。我們與麥克馬斯特大學(xué)合作,使用量子阱混合(QWI)技術(shù)制造SOA并進(jìn)行研究。量子阱混合(QWI)是一種的單片集成后生長技術(shù),近年來已被應(yīng)用于許多不同的光子集成解決方案。

第二章 文獻(xiàn)回顧

2.1簡(jiǎn)介

上一章介紹了具有寬光譜SOA的潛在優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)。本章要解決的關(guān)鍵問題是“半導(dǎo)體中存在哪些光譜控制的制造技術(shù),它們是否可用?”和“還有哪些有前景的制造技術(shù)尚未應(yīng)用?”在本章中,將回顧討論一種有前途的制造技術(shù)-量子阱混合技術(shù)(QWI),應(yīng)用于半導(dǎo)體光放大器的帶寬增強(qiáng)。

2.2光電芯片制造簡(jiǎn)介

光電子結(jié)構(gòu)在真空下生長在晶體半導(dǎo)體襯底的頂部。將特定比例的適當(dāng)組成化合物引入生長室中,并在襯底表面上結(jié)合以形成以帶隙能量和晶格常數(shù)為特征的特定類型的半導(dǎo)體。許多用于電信的有源器件生長在InP襯底上的磷化銦鎵砷(InGaAsP)材料系中。通過適當(dāng)選擇半導(dǎo)體成分,可以生長出具有獨(dú)特光電特性的不同層。成分的范圍受相鄰層應(yīng)該具有相似晶體結(jié)構(gòu)要求的限制,以確保足夠低的缺陷濃度。在外延生長之后,通過光刻和蝕刻引入橫向結(jié)構(gòu)。例如,當(dāng)在晶片表面上蝕刻小脊時(shí),實(shí)現(xiàn)了引導(dǎo)光穿過器件的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在引入合適的波導(dǎo)之后,通過金屬化形成電接觸以允許電流注入。外延生長、光刻和蝕刻是光電子制造中的關(guān)鍵工藝。外延生長產(chǎn)生垂直層,并且光刻和蝕刻用于去除橫向尺寸上的部分以提供橫向結(jié)構(gòu)。可能出現(xiàn)在器件的特定層上需要不同材料(光學(xué)和/或電學(xué))的情況。在這種情況下,需要更復(fù)雜的制造方法來實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)。下面將討論三種主要方法。

2.3再生長技術(shù)

再生長技術(shù)包括去除晶片的選定區(qū)域中的層,然后在上面生長不同的材料。新型結(jié)構(gòu)可以通過再生長來制造,但每一次額外的光刻、蝕刻、清潔和生長步驟都會(huì)增加制造過程的成本和時(shí)間。這些挑戰(zhàn)可以用來實(shí)現(xiàn)集成光電子器件。1992年,Alferness等人展示了一種寬調(diào)諧的量子阱激光器,該激光器通過使用三個(gè)不同的MOVPE生長步驟組合了MQW增益、窗口和垂直耦合器部分[12]。這項(xiàng)工作代表了光電子集成早期的一項(xiàng)重大成就。

2.4選擇性區(qū)域增長(SAG)

選擇性區(qū)域生長是一種用于單片集成的技術(shù),它允許在晶片上生長具有不同有效帶隙的半導(dǎo)體材料。它已成功用于創(chuàng)建模式轉(zhuǎn)換器[13]、增強(qiáng)增益和帶寬[14-16]以及集成有源和無源器件[13]。SAG利用了金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)過程中由于氣相擴(kuò)散和表面遷移效應(yīng)而改變的生長速率[17]。生長速率由于晶片表面上的障礙物的存在而改變,掩模版或Strips被蝕刻到晶片頂部的電介質(zhì)層(最常見的是SiO2和SiN)中,MOVPE在打開的窗口里生長。氧化物stripe的尺寸和幾何形狀決定了窗口區(qū)域中生長速率增強(qiáng)的程度。通過使strip形狀逐漸變細(xì),使生長速率線性變化,從而在MOVPE期間產(chǎn)生成比例梯度層厚。如果在開口中生長量子阱(QW)結(jié)構(gòu),則該厚度梯度可用于影響沿著strip的增益譜。QW的尺寸將沿著窗口的長度連續(xù)變化,從而產(chǎn)生增益特性的單調(diào)變化[17]。圖2.1顯示了Kashima等人用于生長QW寬帶LED結(jié)構(gòu)的SAG掩模的示意圖。還包括沿strip長度的光致發(fā)光測(cè)量結(jié)果[16]。

接下來將討論使用SAG方法制造的相關(guān)寬光譜器件。由于SAG方法依賴于遮擋效應(yīng),它們通常被限制在晶片表面的一個(gè)維度上,在可獲得的帶隙變化程度上也受到限制。量子阱有源層厚度的變化必須相對(duì)平滑,以避免沿有源器件的模式失配。此外,QW層的厚度不能無限增加,因?yàn)楹侠淼牟僮餍枰銐虻妮d流子限制。

2.4.1多段寬光譜發(fā)光二極管(LED)

寬光譜是SAG技術(shù)的首要目標(biāo)之一。1992年,Vermeire等人在單量子阱LED的生長過程中使用了錐形掩模版。逐漸變化的QW厚度會(huì)帶來發(fā)射波長沿著器件長度的逐漸變化。通過獨(dú)立的上部觸點(diǎn)提供對(duì)不同段一定程度的電控制。對(duì)于特定的分段電流組合,實(shí)現(xiàn)了最大63nm的3dB帶寬[15]。

2.4.2寬光譜LED

1998年,Kashima等人使用SAG來增強(qiáng)MQW邊緣發(fā)射發(fā)光二極管(ELED)的發(fā)射帶寬[16]。他們通過使用圖2.1所示的錐形掩模,將沿器件長度的不同MQW區(qū)域組合在一起。在常規(guī)MQW區(qū)域以常規(guī)的速率生長,發(fā)光中心波長在1320 nm附近。在錐形區(qū)域,生長速率逐漸增加,發(fā)光中心波長范圍從1320nm到1400nm。在吸收區(qū)以最快的速率生長,中心波長在1440nm附近。最終在電流為100 mA的情況下,實(shí)現(xiàn)了以1300 nm為中心、功率為400uW的127 nm的3dB帶寬的光譜[16]。Kashima等人使用的SAG掩模和相應(yīng)的光致發(fā)光測(cè)量結(jié)果如圖2.1所示。

2.4.3多段SOA

在這項(xiàng)研究過程中,Djordjev等人報(bào)道了一種具有兩個(gè)不同增益段的帶寬增強(qiáng)SOA產(chǎn)品[14]。這項(xiàng)工作首次將SAG應(yīng)用于具有兩個(gè)電獨(dú)立增益段的SOA設(shè)計(jì)。作者使用SAG來改變器件一段相對(duì)于另一段的帶隙能量。在100nm的3dB帶寬上觀察到10dB的芯片增益。然而由于熱不穩(wěn)定性,這些器件無法持續(xù)工作;增益只能用低占空比脈沖電流驅(qū)動(dòng)來觀察。

2.5量子阱混合(QWI)的帶寬增強(qiáng)

QWI是一種允許量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)的帶隙能量以不同程度的空間選擇性改變的技術(shù)[18]。與SAG不同,它通常在生長后執(zhí)行,并允許在兩個(gè)橫向維度上操縱晶片表面上的有效帶隙。而SAG方法依賴于遮擋效應(yīng),并且通常被限制在晶片表面上的一個(gè)維度,此外,SAG方法在設(shè)計(jì)者可用的帶隙變化程度上更為有限[19]。QWI工藝將缺陷(摻雜或空位)引入晶片中,隨后進(jìn)行快速熱退火(RTA)步驟,在該步驟期間缺陷擴(kuò)散到量子阱結(jié)構(gòu)中。當(dāng)它們擴(kuò)散時(shí),缺陷允許來自阱和勢(shì)壘的原子混合,平滑了阱和勢(shì)壘之間的尖銳成分和能量不連續(xù)性。這反過來又導(dǎo)致有效躍遷能的增加。對(duì)于QWI,希望對(duì)缺陷數(shù)量和擴(kuò)散長度有極好的控制,以實(shí)現(xiàn)精確、可重復(fù)的混合。QWI的兩種主要類型是雜質(zhì)誘導(dǎo)相互擴(kuò)散(IID)和無雜質(zhì)空位擴(kuò)散(IFVD)。利用IID,雜質(zhì)以高動(dòng)能注入選定區(qū)域的表面,混合的程度和速率與雜質(zhì)的劑量以及RTA的溫度和持續(xù)時(shí)間成比例,植入過程中帶來的晶格損傷是IID需關(guān)注的問題。盡管大多數(shù)在RTA過程中重新修復(fù),但殘余純度和結(jié)晶質(zhì)量會(huì)降低,導(dǎo)致吸收增加[20]。IFVD涉及空位擴(kuò)散到QW結(jié)構(gòu)中。空位通常是從期望區(qū)域上生長的覆蓋層引入的,該覆蓋層增強(qiáng)了III族原子從QW的向外擴(kuò)散[20]。一般來說,IFVD不會(huì)降低QW材料的光學(xué)或電學(xué)性能,但需要仔細(xì)選擇覆蓋層成分和厚度,以防止形成不必要的應(yīng)變和雜質(zhì)[20]。本項(xiàng)目使用的QWI技術(shù)基于使用專有覆蓋層的IFVD技術(shù)。QWI方法已應(yīng)用于光電子的許多領(lǐng)域,包括集成電光吸收調(diào)制器[22]和多波長激光結(jié)構(gòu)[23]的制造,激光發(fā)射波長的生長后微調(diào)[24],在超晶格波導(dǎo)中提供準(zhǔn)相位匹配[25],制造偏振不敏感的SOA[26],以及為光電二極管創(chuàng)建非吸收面[27]。

2.5.1帶QWI的寬帶LED

Poole等人使用離子注入QWI來增強(qiáng)發(fā)光二極管(LED)的光譜寬度(28)。沿著器件的長度彼此平行地制作了四個(gè)不同的發(fā)射區(qū)域。混合后,有效能隙與每個(gè)區(qū)域中雜質(zhì)的劑量成反比增加。在重復(fù)頻率為10kHz的2安培電流脈沖下觀察到90nm的3dB光譜寬度。與Poole的工作相反,本研究使用了基于無雜質(zhì)空位擴(kuò)散的QWI工藝來改變多量子阱SOA結(jié)構(gòu)中的有效能隙。此外,在本研究中演示的SOA設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)光譜不同的段,它們沿著單個(gè)波導(dǎo)串聯(lián)排列。最后,在這項(xiàng)工作中,每個(gè)光譜不同的段都是電獨(dú)立的,以允許整個(gè)器件的光譜特性的高級(jí)可調(diào)諧性。McDougall等人使用光吸收誘導(dǎo)無序(PAID)顯著拓寬InGaAs-InAlGaAs材料系統(tǒng)中單節(jié)LED結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜[27]。利用PAID,用來自Nd:YAG激光器的連續(xù)波光照射晶片表面。1.064m光子的吸收局部加熱器件,并誘導(dǎo)阱和勢(shì)壘之間的相互擴(kuò)散過程。在McDougall的工作中,使用PAID技術(shù)沿1.5毫米LED創(chuàng)建分級(jí)帶隙。觀察到260nm的發(fā)射帶寬;與沒有分級(jí)帶隙的相同LED結(jié)構(gòu)相比提高了2倍以上。McDougall的工x作代表了使用QWI增強(qiáng)發(fā)射帶寬的重大成就。與McDougall的工作相反,這項(xiàng)研究在不同的材料系統(tǒng)中使用了不同的QWI技術(shù)。此外,在本研究中使用了兩個(gè)電獨(dú)立的部分來提供對(duì)光譜形狀的動(dòng)態(tài)控制。

2.6結(jié)論

在試圖回答“半導(dǎo)體中存在哪些控制帶寬的制造技術(shù),以及它們?cè)诙啻蟪潭壬峡梢詰?yīng)用于功能器件?”的問題時(shí),討論了再生長、選擇性生長(SAG)和量子阱混合(QWI)技術(shù)。與增加有源半導(dǎo)體器件中的光譜帶寬有關(guān)的大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)涉及選擇性區(qū)域生長(SAG)技術(shù)。關(guān)于“是否有任何有前途的制造技術(shù)尚未應(yīng)用于帶寬增強(qiáng)的功能器件?”問題,研究表明,量子阱混合(QWI)是一種有前途的新技術(shù),在光電子領(lǐng)域有許多有趣的應(yīng)用。作為一種后生長工藝,QWI避免了與SAG和再生長方法相關(guān)的一些問題,并提供了更多的設(shè)計(jì)靈活性。QWI技術(shù)過去已經(jīng)應(yīng)用于寬光譜LED中,但還沒有應(yīng)用于寬光譜和可調(diào)光譜特性的多段器件結(jié)構(gòu)中。

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[27] S. McDougall, M. J. Jubber, O. P. Kowalski, J. H. Marsh, and J. 5S. Aitchison, “GaAs/AlGaAs waveguide pin photodiodes with non-absorbing facets fabricated by quantum well intermixing,” Electron. Lett., vol. 36, pp. 749-750, April 2000.

[28] P. Poole, V. M. Davies, M. Dion, Y. Feng, S. Charbonneau, R. D. Goldberg, and I. V. Mitchell, “The fabrication of a broad-spectrum light emitting diode using high energy ion implantation,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, pp. 1145-1147, 1996.

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審核編輯 黃宇

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