1.本发明涉及一种光学器件，例如，电吸收调制激光器。
背景技术：2.电吸收调制激光器广泛用于电信系统，例如，用于大容量、高速光接入网络等应用中的高性能低成本光学器件模块中。
3.如图1(a)和图1(b)的示例所示，标准高速电吸收调制激光器(electroabsorption modulated laser，eml)包括分布式反馈(distributed feedback，dfb)激光器10和电吸收调制器(electroabsorption modulator，eam)11。该器件通常包括半导体块，该半导体块具有背面或刻面12、与后刻面相对的正面或刻面13以及在它们之间形成的光腔。前刻面和后刻面通常都是劈开的。该腔传统上包括插入在p型或n型半导体材料层之间的有源层14，分别在15和16处示出。诸如抗反射(anti-reflection，ar)或高反射(high reflection，hr)涂层的一个或多个涂层，可以适用于前刻面和后刻面，以提供预定的反射率。在dfb激光器中，布拉格(bragg)光栅充当至少一个面的波长选择元件，并提供反馈，将光反射回腔中以形成谐振器。dfb的背面通常涂有hr涂层，以增强功率输出。在eam中，发射面的前刻面通常涂有ar涂层，以减少刻面反射。在一些实现方式中，eml可以替代地包括分布式布拉格反射器(distributed bragg reflector，dbr)激光器来代替dfb激光器。
4.在eml中，激光和eam通常是通过这样的方式隔离开来的，即，将衬底的顶层蚀刻掉大约1.0到2.5μm的深度(如17所示)或通过离子注入。
5.通常，电吸收调制激光器采用量子限制斯塔克效应(quantum confined stark effect，qcse)来改变器件的吸收。当向器件施加外部反向偏压(电场)时，电子态转移到较低能量，而空穴态转移到较高能量，从而增加了激光波长处允许的光吸收。此外，电子和空穴移动到阱的相对侧，这样就降低了重叠积分，从而降低了系统的重组效率。qcse允许快速打开和关闭光通信信号，这样，光可以作为“0”和“1”信号通过器件进行传输。
6.eml设备的dfb和eam部分传统上使用对接耦合工艺(butt-couple process，bc)进行连接，由此，eam部分在晶片上过度生长。dfb和eam部分通过蚀刻掉顶部的p掺杂层或n掺杂层或通过离子注入相互电气隔离。使用bc工艺在界面18处将eam部分连接到dfb部分，eam部分的有源区沿波导具有相同的多量子阱(multiple quantum well，mqw)带隙能量。
7.众所周知，从器件的dfb部分射出的光沿着eam波导呈指数吸收。吸收率由下式给出：
8.absorption＝a.exp(γlα)
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(1)
9.其中，a是常数，γ是波导mqw限制，l是eam部分的长度，α是吸收系数。
10.因此，如果mqw带隙能量沿着eam部分中的波导是相同的，则吸收沿着波导指数衰减。在这种情况下，eam部分的大约前30μm到50μm吸收了大部分光。因此，饱和可能发生在该部分的前30μm到50μm。此外，这可能导致在eam输入部分具有强峰值的温度曲线。这可能会对eml的性能产生负面影响。
11.需要开发一种不易出现此类问题的器件。
技术实现要素：12.提供了一种光学器件，具有第一面、第二面、光腔和有源区，其中，所述光腔由半导体衬底限定，并且具有在所述第一面和所述第二面之间延伸的长度，所述有源区用于将电荷注入到所述腔中，并且在沿所述腔的长度的各个距离处具有有效带隙能量，所述器件包括：调制器，从位于所述第一面和所述第二面之间的第一端延伸，并且包括至少部分有源区；以及激光器，光耦合到所述调制器的第一端；其中，邻近所述第一端的所述部分有源区的带隙能量高于远离所述第一端的所述部分有源区的带隙能量。
13.所述部分有源区的带隙能量可以随着距第一端的距离的变化而近似线性地减小。所述部分有源区的带隙能量可以随着距第一端的距离的变化而近似非线性地减小。这可以防止在电吸收调制激光器的eam部分的第一部分发生饱和。
14.该器件可以被配置为使得第二面是该器件的发射面。这样，该器件可以与其他光学功能结构集成。例如，mach-zehnder调制器或放大器。
15.第二面可以涂有抗反射涂层。这样可以减少器件中的刻面反射。这可以提高器件的性能。
16.有源区可以在第一面和第二面之间延伸的方向上伸长。这可以允许发射的光可以沿着腔传播。
17.光腔可以包括第一掺杂类型的第一半导体层、与第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层，有源区可以位于第一半导体层和第二半导体层之间。这是制造该器件的方便配置。
18.该器件还可以包括与光腔一起延伸的波导，用于诱导腔中的光沿着腔的长度传播。这可以有效地允许发射的光沿着腔传播。
19.波导可以具有基本恒定的宽度。这可能便于制造该器件。
20.波导的宽度可以在0.5μm到3.0μm之间。这可以允许相应地选择波导的有效折射率。
21.波导可以是脊形波导或掩埋异质结构波导。这可以实现制造激光器的灵活性。
22.调制器可以是电吸收调制器。激光器可以是分布式反馈(dfb)激光器。这可以允许该器件用于诸如电信的应用。
23.该器件可以包括设置在半导体衬底任一侧上的一对电极。激光器可以包括另一部分有源区，并且激光器可以被配置为使得通过在电极之间施加电流，可以从另一部分有源区激发光发射。这是一种方便的光学器件配置。
24.该对电极中的每一个的一部分可以设置在调制器的任一侧上，并且该部分电极对可以包括集总电极或行波电极。这样可以实现制造该器件的多功能性。
25.当向调制器施加偏置电压时，由于有源区的掺杂浓度和/或厚度的变化，所述部分有源区上的电场可以在沿着腔的各距离处发生变化。
26.器件调制器部分的波导可以具有1.0μm到3.0μm之间的恒定宽度。或者，波导宽度可以沿波导变化。
27.第一面和第二面中的一者或二者可以由解理面(cleaved facet)构成。这可能便
于制造激光器。
28.根据第二方面，提供了一种方法，在耦合光调制器和激光器时，影响光学器件有源区的生长；其中，所述调制器包括所述器件的至少部分有源区，所述方法包括使所述调制器的部分有源区生长，以限定所述调制器中的带隙能量随着距所述调制器和所述激光器之间的界面的距离的变化而发生的变化；其中，邻近所述界面的所述调制器的带隙能量高于远离所述界面的所述调制器的带隙能量。该方法可以在光调制器对接到激光器期间执行。
29.该方法还可以包括使所述调制器的部分有源区生长超过锥形掩膜，其中，所述界面处掩膜的宽度比远离所述界面的掩膜的宽度窄。这样，与调制器的第一端相邻的器件的一部分有源区的带隙能量高于距第一端一定距离的那部分有源区的带隙能量。掩膜可以由介电材料制成，例如，sio2。
附图说明
30.现在将参照附图以示例的方式描述本发明。
31.在图中：
32.图1(a)示出了传统eml的俯视图。
33.图1(b)是沿图1(a)的a-a截面的侧视图。
34.图2(a)示出了光学器件的示例的俯视图。
35.图2(b)是沿图2(a)的b-b截面的侧视图。
36.图3示出了图2(a)和图2(b)中所示光学器件的eml部分的有源区的带隙能量变化的示例。
具体实施方式
37.在一个示例性实施例中，如图2(a)和图2(b)所示，eml器件包括dfb激光器20和eam 21。dfb激光器20包括具有第一背面22的半导体块。eml器件的第二正面23与背面相对，并且在它们之间形成光腔。正面和/或背面可以是解理面。优选地，该器件的前刻面和后刻面相互平行对齐。可以将高反射(hr)涂层施加到后刻面。该刻面22用作后反射器。器件发射面处的前刻面23涂有ar涂层，以减少刻面反射。eam部分也可以相对于dfb部分倾斜或弯曲，例如，7至10度的角度，以进一步减少ar刻面反射。dfb激光器部分20的光栅(未示出)可以是全光栅、λ/4光栅或部分光栅。
38.在图2(a)和图2(b)所示的示例中，eml的光腔包括插入在p型和n型半导体材料层之间的有源层24，如2(b)中的25和26所示。在该示例中，半导体层由inp制成。然而，可以使用其他半导体材料，例如，gaas。形成腔的材料可以选择性地掺杂在p型和n型层的区域中。这些层被限定在衬底中。器件有源区中的多量子阱mqw1和mqw2分别显示在27和28处。mqw1对应于器件激光部分的一部分有源区，mqw2对应于器件eam部分的一部分有源区。
39.dfb和eam由隔离部分隔开，如图2(a)和图2(b)中的30所示。在这个隔离部分中，没有电流注入器件，dfb和eam彼此电气隔离。隔离部分的长度可以是大约40μm到100μm，并且，从半导体衬底顶部的这部分中的蚀刻深度可以是大约0.8μm到2.0μm。可以蚀刻掉dfb和eam之间的顶部p-inp层，以实现dfb和eam之间的电隔离。
40.波导的轮廓如图2(a)的俯视图所示，波导沿着光腔延伸，用于诱导腔中的光沿着
腔的长度传播。波导包括一种材料，其折射率大于周围衬底的折射率。从器件正面处的波导末端发射光。
41.波导可以是脊形波导，优选浅脊形波导。脊形波导可以通过在波导任一侧的材料中蚀刻平行沟槽来产生，以产生隔离的突出带，通常小于10μm宽和数百μm长。折射率低于波导材料折射率的材料可以沉积在脊的侧面，以将注入的电流引导到脊中。或者，脊的三个不与波导下方的衬底接触的侧面可能被空气包围。脊也可以镀金，以提供电接触，并在其产生光时帮助从脊中散热。
42.可选地，波导可以是掩埋异质结构波导。该器件的波导可以是直波导或弯波导。eam部分的波导宽度优选在0.5μm到3.0μm之间。dfb和eam部分的波导宽度可以不同，也可以相同(如图2(a)所示的示例的情况)。
43.该器件包括设置在半导体衬底任一侧上的一对电极29a、29b。该器件被配置成使得通过在与衬底电接触的电极上施加电流，可以从衬底激发光发射。
44.该对电极中的每一个的一部分设置在器件的激光部分的任一侧上。在有源区24的mqw1部分27中，通过在设置在激光部分任一侧上的部分电极对上施加电流，从器件激发光发射。
45.该对电极中的每一个的一部分设置在器件的调制器部分的任一侧上。eam部分的部分电极对可以是，例如，集总电极或行波电极。可以向电极施加反向偏压。
46.从图2(b)中可以看出，器件的第二正面23是发射面，光从器件的该发射面输出。光学器件可以与另外的光学功能结构集成。例如，该器件还可以包括与第二面23相邻的半导体光放大器。半导体光放大器可以光耦合到正面23。
47.为了减轻与dfb部分的接口相邻的器件的eam部分的前约50μm的饱和问题，邻近eam部分的第一端(在与dfb部分的界面处)的有源区的部分28的带隙能量高于在距第一端一定距离处的这部分有源区的带隙能量。图3示意性地示出了eam部分有源区这部分的带隙能量随着距dfb部分的接口的距离的变化。
48.eam部分中的有源区的带隙能量的这种变化可以通过使用选择性区域生长(selective area growth，sag)将eam部分21耦合到dfb部分20来实现。
49.可以通过将材料沉积到衬底上来制造上述器件，以生长和耦合器件的调制器和激光部分。通常，来自气相的金属氧化物化学气相沉积(metal oxide chemical vapour deposition，mocvd)源材料将在未掩膜区中外延生长。当调制器部分生长时，电介质掩膜可以沉积在器件的eam区的至少一侧，优选两侧。当源材料落在掩膜(例如，可以是sio2电介质掩膜)上时，它不容易成核。
50.图2(a)中的31示出了用于生产本文所描述的光学器件的sag工艺中的掩膜轮廓的示例。为了实现沿器件的eam部分的带隙能量变化，掩膜的形状可以随着沿器件的eam部分的距离而变化。掩膜可以是锥形的。在图2(a)的示例中，使用了三角形的掩膜。更一般地，在激光器和调制器之间的界面处的掩膜宽度可以比在距界面一定距离处的掩膜的宽度窄。优选地，掩膜在邻近eml的正面23处最宽(即，在器件的发射面处)。然而，其他形状的掩膜也是可能的。
51.在源材料落在掩膜上的地方，由于局部浓度梯度，沉积在掩膜上的源物质可能会重新进入气相并而扩散，以找到无掩膜区。在一些实施例中，如果生长温度足够高，和/或如
果掩膜宽度足够窄，可能发生上面的情况。与完全未掩膜的衬底相比，由于在典型mocvd生长条件下in和ga的相对扩散系数，通过掩膜对ingaas、ingaasp、ingaalas外延层进行的mqw生长可能更厚且铟含量更高。因此，作为量子尺寸效应和合金成分变化的结果，与由掩膜的较窄部分覆盖的区域相比，由掩膜的较宽部分覆盖的部分有源区域中的mqw移动到较低的能带隙。
52.因此，可以使形成本文所述的eml器件的一部分的材料生长，以使用选择性区域生长来限定有源区的成分随着距调制器和激光器之间的界面的距离的变化。如上所述，器件的eml部分中的有源区的带隙能量可以改变。此外，当向器件施加偏置电压时，由于掺杂浓度和厚度的变化，eml部分中的有源区上的电场随着沿腔距离的变化而变化。
53.因此，sag可用于将eam部分与dfb部分对接耦合，以形成eml。可以在eam区域中使用由sio2等电介质制成的掩膜，以选择性地沿eam波导增强mqw2区的生长。因此，在靠近与dfb部分的界面处，器件的eam部分中的有源区的mqw2部分将具有较高的带隙能量，而在靠近eam刻面23处具有较低的带隙能量。优选地，掩膜形状沿着波导是可变的。因此，eam mqw2部分沿波导具有可变的带隙能量，而不是恒定的带隙能量。
54.因此，沿波导的eam吸收是分布式的，所以，eam的前约50μm部分的饱和度可能会降低。
55.用于形成本文描述的器件的方法可以总结如下。在耦合调制器和激光器时，这种制造方法会影响光学器件有源区的生长，其中，调制器包括器件的至少部分有源区。该方法包括使调制器的一部分有源区生长，以限定调制器中的带隙能量随着距调制器和激光器之间的界面的距离而发生的变化，其中，邻近界面的调制器的带隙能量高于远离界面的调制器的带隙能量。该方法可以在光调制器对接耦合到激光器期间执行。
56.如上所述，优选地，通过在选择性区域生长工艺中在锥形掩膜之间沉积材料(例如，mocvd或掺杂剂材料)，使形成调制器(eam部分21)的材料生长。优选地，在器件的激光器和调制器部分之间的界面处的掩膜宽度比在距界面一定距离处的掩膜宽度窄。
57.沿本文所述器件的波导的可变带隙能量破坏了沿波导的eam部分的吸收。这可以有效地防止eam的第一部分的饱和并有助于平滑温度分布，从而防止在使用对接耦合生长制造的eml中观察到的eam输入部分出现强吸收峰。这样可以提高eml器件的性能。
58.申请人在此单独公开本文所述的每个单独的特征以及两个或两个以上这样的特征的任何组合，只要这样的特征或组合能够在本说明书的整体基础上按照本领域技术人员的公知常识来实现，不管这些特征或特征组合是否解决了本文公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单独特征或特征组合组成。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。
技术特征：1.一种光学器件，具有第一面、第二面、光腔和有源区，其中，所述光腔由半导体衬底限定，并且具有在所述第一面和所述第二面之间延伸的长度，所述有源区用于将电荷注入到所述腔中，并且在沿所述腔的长度的各个距离处具有有效带隙能量，所述器件包括：调制器，从位于所述第一面和所述第二面之间的第一端延伸，并且包括至少部分有源区；以及激光器，光耦合到所述调制器的第一端；其中，邻近所述第一端的所述部分有源区的带隙能量高于远离所述第一端的所述部分有源区的带隙能量。2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述部分有源区的带隙能量随着距所述第一端的距离的变化而近似线性地减小。3.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述器件被配置为使得所述第二面是所述器件的发射面。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述第二面涂有抗反射涂层。5.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述有源区在所述第一面和所述第二面之间延伸的方向上伸长。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述光腔包括第一掺杂类型的第一半导体层、与所述第一类型相反的第二掺杂类型的第二半导体层，其中，所述有源区位于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述器件还包括与所述光腔一起延伸的波导，用于诱导所述腔中的光沿着所述腔的长度传播。8.根据权利要求7所述的光学器件，其中，所述波导具有基本恒定的宽度。9.根据权利要求7或8所述的光学器件，其中，所述波导具有0.5μm至3.0μm之间的宽度。10.根据权利要求7至9中任一项所述的光学器件，其中，所述波导是脊形波导或掩埋异质结构波导。11.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述调制器是电吸收调制器。12.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，所述激光器是分布式反馈激光器。13.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，所述器件包括设置在所述半导体衬底的任一侧上的一对电极，并且所述激光器包括另一部分有源区，所述激光器被配置为使得通过在所述电极之间施加电流，可以从所述另一部分有源区激发光发射。14.根据权利要求13所述的光学器件，其中，所述电极对中的每一个的一部分设置在所述调制器的任一侧上，并且所述部分电极对包括集总电极或行波电极。15.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其中，当向所述调制器施加偏置电压时，由于所述有源区的掺杂浓度和/或厚度的变化，所述部分有源区上的电场可以在沿着腔的各距离处发生变化。16.一种方法，在耦合光调制器和激光器时，影响光学器件有源区的生长；其中，所述调制器包括所述器件的至少部分有源区，所述方法包括使所述调制器的部分有源区生长，以限定所述调制器中的带隙能量随着距所述调制器和所述激光器之间的界面的距离的变化而发生的变化；其中，邻近所述界面的所述调制器的带隙能量高于远离所述界面的所述调
制器的带隙能量。17.根据权利要求16所述的方法，包括使所述调制器的部分有源区生长超过锥形掩膜，其中，所述界面处掩膜的宽度比远离所述界面的掩膜的宽度窄。
技术总结一种光学器件，具有第一面、第二面、光腔和有源区，其中，光腔由半导体衬底限定，并且具有在第一面和第二面之间延伸的长度，有源区用于将电荷注入到该腔中，并且在沿该腔的长度的各个距离处具有有效带隙能量，该器件包括：调制器，该调制器从位于第一面和第二面之间的第一端延伸，并且包括至少部分有源区；以及激光器，该激光器光耦合到调制器的第一端；其中，邻近第一端的该部分有源区的带隙能量高于远离第一端的该部分有源区的带隙能量。一端的该部分有源区的带隙能量。一端的该部分有源区的带隙能量。
技术研发人员：陈欣
受保护的技术使用者：华为技术有限公司
技术研发日：2020.04.14
技术公布日：2022/11/1
