寬光譜SOA光芯片設計（一）

-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值。

摘要

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

第一章2003年半導體光放大器

1.1簡介

半導體光學放大器（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。耦合到腔一側的光在單次通過該器件時被放大。Kobayashi和Kimura于1984年首次提出了這種簡單的實施方案及其應用。從那時起，光纖通信行業的持續增長推動了SOA的研究。這項研究還催生了一些新的應用。不同類型光放大器的市場應用主要取決于增益介質中的激發態壽命。摻鉺光纖放大器（EDFA）具有幾毫秒量級的較長壽命。這導致增益響應滯后，并平滑泵浦功率或輸入信號的任何變化。這在波分復用系統中是有益的，它阻止了信道間串擾。然而，當信號強度改變時，需要復雜的電路來防止增益瞬變在網絡中產生震蕩。半導體的激發態壽命比EDFA短六個數量級。半導體的增益具有亞納秒的壽命，可以快速響應注入電流的變化，從而提供了消除增益瞬態的直接方法。為了將SOA的信道間串擾降低到WDM應用可接受的水平，在一些商用SOA中采用了增益箝位技術[2，3]，當SOA光譜譜寬45至60nm目前已經實現高達35dB的小信號增益[4]。研究人員正在探索利用SOA中的快速增益動力學進行光信號處理的方法。已經提出并驗證了使用光脈沖來影響相移的全光開關[5，6]。波通過使用強強度調制信號的比特模式并通過增益飽和來調制另一波長的弱連續光束的增益實現了波長變換[7，8]。圖1.1展示了SOA的研究重點，為本次調查提供了背景。

半導體光放大器在未來的光網絡中會有許多應用。接下來將討論驅動這項研究的光放大器面臨的一些具體需求和挑戰。

1.2 SOA的設計挑戰

1.2.1 高增益帶寬

粗波分復用（CWDM）技術與密集波分復用技術（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絡的建設成本。CWDM在1260到1620nm帶寬范圍內，為每個傳輸波道分配了20nm窗口，由于采用了寬的波道，降低了對激光器波長控制要求，簡化了設計和制造。與傳統的DWDM技術相比，CWDM設備的成本預計低30%[9]。然而，由于CWDM占據了整個低損耗光纖窗口，對現有的光放大器提出了重大挑戰。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，價格昂貴，單次只能提供20-90nm的增益[11]。因此，通過擴展SOA的增益帶寬，可以提供一種新型CWDM系統光放大解決方案。

1.2.2 集成度及靈活性

城域網（MAN）必須兼顧成本和性能，而降低成本的一個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（MAN）還必須具有可擴展性和可重構性，以適應需求的變化，需要能夠滿足不斷網絡流量不斷提高的光放大器，這需要光譜增益形狀可調的SOA。

1.3設計目標-高帶寬SOA

需要設計一款具有寬光譜和可調光譜形狀的光學放大器。已有技術允許在多量子阱SOA中對增益譜進行后生長修改。我們與麥克馬斯特大學合作，使用量子阱混合（QWI）技術制造SOA并進行研究。量子阱混合（QWI）是一種的單片集成后生長技術，近年來已被應用于許多不同的光子集成解決方案。

第二章 文獻回顧

2.1簡介

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

2.2光電芯片制造簡介

光電子結構在真空下生長在晶體半導體襯底的頂部。將特定比例的適當組成化合物引入生長室中，并在襯底表面上結合以形成以帶隙能量和晶格常數為特征的特定類型的半導體。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。通過適當選擇半導體成分，可以生長出具有獨特光電特性的不同層。成分的范圍受相鄰層應該具有相似晶體結構要求的限制，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構。例如，當在晶片表面上蝕刻小脊時，實現了引導光穿過器件的波導結構。在引入合適的波導之后，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鍵工藝。外延生長產生垂直層，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構?？赡艹霈F在器件的特定層上需要不同材料（光學和/或電學）的情況。在這種情況下，需要更復雜的制造方法來實現這些結構。下面將討論三種主要方法。

2.3再生長技術

再生長技術包括去除晶片的選定區域中的層，然后在上面生長不同的材料。新型結構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增加制造過程的成本和時間。這些挑戰可以用來實現集成光電子器件。1992年，Alferness等人展示了一種寬調諧的量子阱激光器，該激光器通過使用三個不同的MOVPE生長步驟組合了MQW增益、窗口和垂直耦合器部分[12]。這項工作代表了光電子集成早期的一項重大成就。

2.4選擇性區域增長（SAG）

選擇性區域生長是一種用于單片集成的技術，它允許在晶片上生長具有不同有效帶隙的半導體材料。它已成功用于創建模式轉換器[13]、增強增益和帶寬[14-16]以及集成有源和無源器件[13]。SAG利用了金屬有機氣相外延（MOVPE）過程中由于氣相擴散和表面遷移效應而改變的生長速率[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域中生長速率增強的程度。通過使strip形狀逐漸變細，使生長速率線性變化，從而在MOVPE期間產生成比例梯度層厚。如果在開口中生長量子阱（QW）結構，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變化，從而產生增益特性的單調變化[17]。圖2.1顯示了Kashima等人用于生長QW寬帶LED結構的SAG掩模的示意圖。還包括沿strip長度的光致發光測量結果[16]。

接下來將討論使用SAG方法制造的相關寬光譜器件。由于SAG方法依賴于遮擋效應，它們通常被限制在晶片表面的一個維度上，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，因為合理的操作需要足夠的載流子限制。

2.4.1多段寬光譜發光二極管（LED）

寬光譜是SAG技術的首要目標之一。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厚度會帶來發射波長沿著器件長度的逐漸變化。通過獨立的上部觸點提供對不同段一定程度的電控制。對于特定的分段電流組合，實現了最大63nm的3dB帶寬[15]。

2.4.2寬光譜LED

1998年，Kashima等人使用SAG來增強MQW邊緣發射發光二極管（ELED）的發射帶寬[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區域組合在一起。在常規MQW區域以常規的速率生長，發光中心波長在1320 nm附近。在錐形區域，生長速率逐漸增加，發光中心波長范圍從1320nm到1400nm。在吸收區以最快的速率生長，中心波長在1440nm附近。最終在電流為100 mA的情況下，實現了以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掩模和相應的光致發光測量結果如圖2.1所示。

2.4.3多段SOA

在這項研究過程中，Djordjev等人報道了一種具有兩個不同增益段的帶寬增強SOA產品[14]。這項工作首次將SAG應用于具有兩個電獨立增益段的SOA設計。作者使用SAG來改變器件一段相對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。然而由于熱不穩定性，這些器件無法持續工作；增益只能用低占空比脈沖電流驅動來觀察。

2.5量子阱混合（QWI）的帶寬增強

QWI是一種允許量子阱異質結構的帶隙能量以不同程度的空間選擇性改變的技術[18]。與SAG不同，它通常在生長后執行，并允許在兩個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，并且通常被限制在晶片表面上的一個維度，此外，SAG方法在設計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，隨后進行快速熱退火（RTA）步驟，在該步驟期間缺陷擴散到量子阱結構中。當它們擴散時，缺陷允許來自阱和勢壘的原子混合，平滑了阱和勢壘之間的尖銳成分和能量不連續性。這反過來又導致有效躍遷能的增加。對于QWI，希望對缺陷數量和擴散長度有極好的控制，以實現精確、可重復的混合。QWI的兩種主要類型是雜質誘導相互擴散（IID）和無雜質空位擴散（IFVD）。利用IID，雜質以高動能注入選定區域的表面，混合的程度和速率與雜質的劑量以及RTA的溫度和持續時間成比例，植入過程中帶來的晶格損傷是IID需關注的問題。盡管大多數在RTA過程中重新修復，但殘余純度和結晶質量會降低，導致吸收增加[20]。IFVD涉及空位擴散到QW結構中?？瘴煌ǔＪ菑钠谕麉^域上生長的覆蓋層引入的，該覆蓋層增強了III族原子從QW的向外擴散[20]。一般來說，IFVD不會降低QW材料的光學或電學性能，但需要仔細選擇覆蓋層成分和厚度，以防止形成不必要的應變和雜質[20]。本項目使用的QWI技術基于使用專有覆蓋層的IFVD技術。QWI方法已應用于光電子的許多領域，包括集成電光吸收調制器[22]和多波長激光結構[23]的制造，激光發射波長的生長后微調[24]，在超晶格波導中提供準相位匹配[25]，制造偏振不敏感的SOA[26]，以及為光電二極管創建非吸收面[27]。

2.5.1帶QWI的寬帶LED

Poole等人使用離子注入QWI來增強發光二極管（LED）的光譜寬度（28）。沿著器件的長度彼此平行地制作了四個不同的發射區域?；旌虾?，有效能隙與每個區域中雜質的劑量成反比增加。在重復頻率為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空位擴散的QWI工藝來改變多量子阱SOA結構中的有效能隙。此外，在本研究中演示的SOA設計使用了兩個光譜不同的段，它們沿著單個波導串聯排列。最后，在這項工作中，每個光譜不同的段都是電獨立的，以允許整個器件的光譜特性的高級可調諧性。McDougall等人使用光吸收誘導無序（PAID）顯著拓寬InGaAs-InAlGaAs材料系統中單節LED結構的發射光譜[27]。利用PAID，用來自Nd:YAG激光器的連續波光照射晶片表面。1.064m光子的吸收局部加熱器件，并誘導阱和勢壘之間的相互擴散過程。在McDougall的工作中，使用PAID技術沿1.5毫米LED創建分級帶隙。觀察到260nm的發射帶寬；與沒有分級帶隙的相同LED結構相比提高了2倍以上。McDougall的工x作代表了使用QWI增強發射帶寬的重大成就。與McDougall的工作相反，這項研究在不同的材料系統中使用了不同的QWI技術。此外，在本研究中使用了兩個電獨立的部分來提供對光譜形狀的動態控制。

2.6結論

在試圖回答“半導體中存在哪些控制帶寬的制造技術，以及它們在多大程度上可以應用于功能器件？”的問題時，討論了再生長、選擇性生長（SAG）和量子阱混合（QWI）技術。與增加有源半導體器件中的光譜帶寬有關的大多數現有技術涉及選擇性區域生長（SAG）技術。關于“是否有任何有前途的制造技術尚未應用于帶寬增強的功能器件？”問題，研究表明，量子阱混合（QWI）是一種有前途的新技術，在光電子領域有許多有趣的應用。作為一種后生長工藝，QWI避免了與SAG和再生長方法相關的一些問題，并提供了更多的設計靈活性。QWI技術過去已經應用于寬光譜LED中，但還沒有應用于寬光譜和可調光譜特性的多段器件結構中。

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審核編輯 黃宇