宽光谱SOA光芯片设计（一）

-本文翻译自由Geoff H. Darling于2003年撰写的文章。尽管文章较早，但可以了解一些SOA底层原理，并可看到早期SOA研究的思路和过程，于今仍有很高借鉴价值。

摘要

本文介绍一种新型宽光谱半导体光放大器（SOA）技术，通过电控可调光谱形状的超宽光谱，来满足粗波分复用和城域网中出现的新放大需求。使用分子束外延在InGaAsP材料中制造多量子阱SOA，每个器件中沿其长度方向由两段组成。使用无杂质量子阱混合技术在每段的增益谱之间产生相对光谱蓝移。在总长500um-1600um的单段或双段SOA器件上光学增益可达15dB。通过优化每段的偏置电流，从双段SOA获得了超过130nm的3dB带宽，相比传统的单段器件的带宽提高了50nm。

第一章2003年半导体光放大器

1.1简介

半导体光学放大器（SOA）或行波光放大器通常是是具有抗反射涂层刻面的法布里-珀罗激光腔。耦合到腔一侧的光在单次通过该器件时被放大。Kobayashi和Kimura于1984年首次提出了这种简单的实施方案及其应用。从那时起，光纤通信行业的持续增长推动了SOA的研究。这项研究还催生了一些新的应用。不同类型光放大器的市场应用主要取决于增益介质中的激发态寿命。掺铒光纤放大器（EDFA）具有几毫秒量级的较长寿命。这导致增益响应滞后，并平滑泵浦功率或输入信号的任何变化。这在波分复用系统中是有益的，它阻止了信道间串扰。然而，当信号强度改变时，需要复杂的电路来防止增益瞬变在网络中产生震荡。半导体的激发态寿命比EDFA短六个数量级。半导体的增益具有亚纳秒的寿命，可以快速响应注入电流的变化，从而提供了消除增益瞬态的直接方法。为了将SOA的信道间串扰降低到WDM应用可接受的水平，在一些商用SOA中采用了增益箝位技术[2，3]，当SOA光谱谱宽45至60nm目前已经实现高达35dB的小信号增益[4]。研究人员正在探索利用SOA中的快速增益动力学进行光信号处理的方法。已经提出并验证了使用光脉冲来影响相移的全光开关[5，6]。波通过使用强强度调制信号的比特模式并通过增益饱和来调制另一波长的弱连续光束的增益实现了波长变换[7，8]。图1.1展示了SOA的研究重点，为本次调查提供了背景。

半导体光放大器在未来的光网络中会有许多应用。接下来将讨论驱动这项研究的光放大器面临的一些具体需求和挑战。

1.2 SOA的设计挑战

1.2.1 高增益带宽

粗波分复用（CWDM）技术与密集波分复用技术（DWDM）相比，其通过牺牲谱宽，降低光器件性能容限的方式降低了网络的建设成本。CWDM在1260到1620nm带宽范围内，为每个传输波道分配了20nm窗口，由于采用了宽的波道，降低了对激光器波长控制要求，简化了设计和制造。与传统的DWDM技术相比，CWDM设备的成本预计低30%[9]。然而，由于CWDM占据了整个低损耗光纤窗口，对现有的光放大器提出了重大挑战。掺铒和铥的光纤放大器通常仅提供40nm的增益带宽[10]。拉曼放大器是分布式的，价格昂贵，单次只能提供20-90nm的增益[11]。因此，通过扩展SOA的增益带宽，可以提供一种新型CWDM系统光放大解决方案。

1.2.2 集成度及灵活性

城域网（MAN）必须兼顾成本和性能，而降低成本的一个主要方法就是光子集成，这需要一种更容易与有源和无源器件集成的芯片式光放大器，SOA是集成放大的最佳选择。城域网（MAN）还必须具有可扩展性和可重构性，以适应需求的变化，需要能够满足不断网络流量不断提高的光放大器，这需要光谱增益形状可调的SOA。

1.3设计目标-高带宽SOA

需要设计一款具有宽光谱和可调光谱形状的光学放大器。已有技术允许在多量子阱SOA中对增益谱进行后生长修改。我们与麦克马斯特大学合作，使用量子阱混合（QWI）技术制造SOA并进行研究。量子阱混合（QWI）是一种的单片集成后生长技术，近年来已被应用于许多不同的光子集成解决方案。

第二章 文献回顾

2.1简介

上一章介绍了具有宽光谱SOA的潜在优势和市场。本章要解决的关键问题是“半导体中存在哪些光谱控制的制造技术，它们是否可用？”和“还有哪些有前景的制造技术尚未应用？”在本章中，将回顾讨论一种有前途的制造技术-量子阱混合技术（QWI），应用于半导体光放大器的带宽增强。

2.2光电芯片制造简介

光电子结构在真空下生长在晶体半导体衬底的顶部。将特定比例的适当组成化合物引入生长室中，并在衬底表面上结合以形成以带隙能量和晶格常数为特征的特定类型的半导体。许多用于电信的有源器件生长在InP衬底上的磷化铟镓砷（InGaAsP）材料系中。通过适当选择半导体成分，可以生长出具有独特光电特性的不同层。成分的范围受相邻层应该具有相似晶体结构要求的限制，以确保足够低的缺陷浓度。在外延生长之后，通过光刻和蚀刻引入横向结构。例如，当在晶片表面上蚀刻小脊时，实现了引导光穿过器件的波导结构。在引入合适的波导之后，通过金属化形成电接触以允许电流注入。外延生长、光刻和蚀刻是光电子制造中的关键工艺。外延生长产生垂直层，并且光刻和蚀刻用于去除横向尺寸上的部分以提供横向结构。可能出现在器件的特定层上需要不同材料（光学和/或电学）的情况。在这种情况下，需要更复杂的制造方法来实现这些结构。下面将讨论三种主要方法。

2.3再生长技术

再生长技术包括去除晶片的选定区域中的层，然后在上面生长不同的材料。新型结构可以通过再生长来制造，但每一次额外的光刻、蚀刻、清洁和生长步骤都会增加制造过程的成本和时间。这些挑战可以用来实现集成光电子器件。1992年，Alferness等人展示了一种宽调谐的量子阱激光器，该激光器通过使用三个不同的MOVPE生长步骤组合了MQW增益、窗口和垂直耦合器部分[12]。这项工作代表了光电子集成早期的一项重大成就。

2.4选择性区域增长（SAG）

选择性区域生长是一种用于单片集成的技术，它允许在晶片上生长具有不同有效带隙的半导体材料。它已成功用于创建模式转换器[13]、增强增益和带宽[14-16]以及集成有源和无源器件[13]。SAG利用了金属有机气相外延（MOVPE）过程中由于气相扩散和表面迁移效应而改变的生长速率[17]。生长速率由于晶片表面上的障碍物的存在而改变，掩模版或Strips被蚀刻到晶片顶部的电介质层（最常见的是SiO2和SiN）中，MOVPE在打开的窗口里生长。氧化物stripe的尺寸和几何形状决定了窗口区域中生长速率增强的程度。通过使strip形状逐渐变细，使生长速率线性变化，从而在MOVPE期间产生成比例梯度层厚。如果在开口中生长量子阱（QW）结构，则该厚度梯度可用于影响沿着strip的增益谱。QW的尺寸将沿着窗口的长度连续变化，从而产生增益特性的单调变化[17]。图2.1显示了Kashima等人用于生长QW宽带LED结构的SAG掩模的示意图。还包括沿strip长度的光致发光测量结果[16]。

接下来将讨论使用SAG方法制造的相关宽光谱器件。由于SAG方法依赖于遮挡效应，它们通常被限制在晶片表面的一个维度上，在可获得的带隙变化程度上也受到限制。量子阱有源层厚度的变化必须相对平滑，以避免沿有源器件的模式失配。此外，QW层的厚度不能无限增加，因为合理的操作需要足够的载流子限制。

2.4.1多段宽光谱发光二极管（LED）

宽光谱是SAG技术的首要目标之一。1992年，Vermeire等人在单量子阱LED的生长过程中使用了锥形掩模版。逐渐变化的QW厚度会带来发射波长沿着器件长度的逐渐变化。通过独立的上部触点提供对不同段一定程度的电控制。对于特定的分段电流组合，实现了最大63nm的3dB带宽[15]。

2.4.2宽光谱LED

1998年，Kashima等人使用SAG来增强MQW边缘发射发光二极管（ELED）的发射带宽[16]。他们通过使用图2.1所示的锥形掩模，将沿器件长度的不同MQW区域组合在一起。在常规MQW区域以常规的速率生长，发光中心波长在1320 nm附近。在锥形区域，生长速率逐渐增加，发光中心波长范围从1320nm到1400nm。在吸收区以最快的速率生长，中心波长在1440nm附近。最终在电流为100 mA的情况下，实现了以1300 nm为中心、功率为400uW的127 nm的3dB带宽的光谱[16]。Kashima等人使用的SAG掩模和相应的光致发光测量结果如图2.1所示。

2.4.3多段SOA

在这项研究过程中，Djordjev等人报道了一种具有两个不同增益段的带宽增强SOA产品[14]。这项工作首次将SAG应用于具有两个电独立增益段的SOA设计。作者使用SAG来改变器件一段相对于另一段的带隙能量。在100nm的3dB带宽上观察到10dB的芯片增益。然而由于热不稳定性，这些器件无法持续工作；增益只能用低占空比脉冲电流驱动来观察。

2.5量子阱混合（QWI）的带宽增强

QWI是一种允许量子阱异质结构的带隙能量以不同程度的空间选择性改变的技术[18]。与SAG不同，它通常在生长后执行，并允许在两个横向维度上操纵晶片表面上的有效带隙。而SAG方法依赖于遮挡效应，并且通常被限制在晶片表面上的一个维度，此外，SAG方法在设计者可用的带隙变化程度上更为有限[19]。QWI工艺将缺陷（掺杂或空位）引入晶片中，随后进行快速热退火（RTA）步骤，在该步骤期间缺陷扩散到量子阱结构中。当它们扩散时，缺陷允许来自阱和势垒的原子混合，平滑了阱和势垒之间的尖锐成分和能量不连续性。这反过来又导致有效跃迁能的增加。对于QWI，希望对缺陷数量和扩散长度有极好的控制，以实现精确、可重复的混合。QWI的两种主要类型是杂质诱导相互扩散（IID）和无杂质空位扩散（IFVD）。利用IID，杂质以高动能注入选定区域的表面，混合的程度和速率与杂质的剂量以及RTA的温度和持续时间成比例，植入过程中带来的晶格损伤是IID需关注的问题。尽管大多数在RTA过程中重新修复，但残余纯度和结晶质量会降低，导致吸收增加[20]。IFVD涉及空位扩散到QW结构中。空位通常是从期望区域上生长的覆盖层引入的，该覆盖层增强了III族原子从QW的向外扩散[20]。一般来说，IFVD不会降低QW材料的光学或电学性能，但需要仔细选择覆盖层成分和厚度，以防止形成不必要的应变和杂质[20]。本项目使用的QWI技术基于使用专有覆盖层的IFVD技术。QWI方法已应用于光电子的许多领域，包括集成电光吸收调制器[22]和多波长激光结构[23]的制造，激光发射波长的生长后微调[24]，在超晶格波导中提供准相位匹配[25]，制造偏振不敏感的SOA[26]，以及为光电二极管创建非吸收面[27]。

2.5.1带QWI的宽带LED

Poole等人使用离子注入QWI来增强发光二极管（LED）的光谱宽度（28）。沿着器件的长度彼此平行地制作了四个不同的发射区域。混合后，有效能隙与每个区域中杂质的剂量成反比增加。在重复频率为10kHz的2安培电流脉冲下观察到90nm的3dB光谱宽度。与Poole的工作相反，本研究使用了基于无杂质空位扩散的QWI工艺来改变多量子阱SOA结构中的有效能隙。此外，在本研究中演示的SOA设计使用了两个光谱不同的段，它们沿着单个波导串联排列。最后，在这项工作中，每个光谱不同的段都是电独立的，以允许整个器件的光谱特性的高级可调谐性。McDougall等人使用光吸收诱导无序（PAID）显著拓宽InGaAs-InAlGaAs材料系统中单节LED结构的发射光谱[27]。利用PAID，用来自Nd:YAG激光器的连续波光照射晶片表面。1.064m光子的吸收局部加热器件，并诱导阱和势垒之间的相互扩散过程。在McDougall的工作中，使用PAID技术沿1.5毫米LED创建分级带隙。观察到260nm的发射带宽；与没有分级带隙的相同LED结构相比提高了2倍以上。McDougall的工x作代表了使用QWI增强发射带宽的重大成就。与McDougall的工作相反，这项研究在不同的材料系统中使用了不同的QWI技术。此外，在本研究中使用了两个电独立的部分来提供对光谱形状的动态控制。

2.6结论

在试图回答“半导体中存在哪些控制带宽的制造技术，以及它们在多大程度上可以应用于功能器件？”的问题时，讨论了再生长、选择性生长（SAG）和量子阱混合（QWI）技术。与增加有源半导体器件中的光谱带宽有关的大多数现有技术涉及选择性区域生长（SAG）技术。关于“是否有任何有前途的制造技术尚未应用于带宽增强的功能器件？”问题，研究表明，量子阱混合（QWI）是一种有前途的新技术，在光电子领域有许多有趣的应用。作为一种后生长工艺，QWI避免了与SAG和再生长方法相关的一些问题，并提供了更多的设计灵活性。QWI技术过去已经应用于宽光谱LED中，但还没有应用于宽光谱和可调光谱特性的多段器件结构中。

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审核编辑 黄宇