1.55μmInGaAsPInP部份增益耦合分布反饋式激光器電吸收調制器集成器件

1、第19卷第7期半導體學報V o l.19,N o.71998年7月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR SJu ly,19981.55m I nGaA sP I nP部份增益耦合分布反饋式激光器 電吸收調制器集成器件3羅毅文國鵬孫長征(集成光電子學國家重點聯(lián)合實驗室清華大學電子工程系北京100084李同寧楊新民王任凡王彩玲金錦炎(武漢電信器件公司武漢430074摘要本文首次報道一種結構簡單的1155m InGaA sP InP部份增益耦合D FB激光器與電吸收調制器的單片集成器件.該器件采用脊波導進行橫模限制,閾值電流范圍為3060mA,典型邊模抑

2、制比大于40dB,反向偏壓3V時的消光比為11dB.EEACC:4320J,0510D1引言為了滿足對通信容量日益增長的需求,對10Gb s的高速光通信系統(tǒng)的研究越來越受到重視.光通信系統(tǒng)速率的提高對光源提出了更高的要求.在目前較為成熟的幅度調制2直接檢測的光通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)的性能主要受限于光纖色散和光纖非線性所引起的光信號畸變.為了盡可能減小色散所帶來的影響,減小光源的調制啁啾是關鍵之一.在各種已知的解決方案中,將調制器和激光器單片集成是最經(jīng)濟有效的.分布反饋式(D FB半導體激光器 電吸收(EA調制器集成器件,特別是帶增益耦合的集成器件,是用于高速干線光通信的理想的光源.這是因為增益耦合的

3、D FB激光器本身具有動態(tài)單模且調制啁啾極小的特性,有助于減小集成器件的動態(tài)線寬;其次,增益耦合的D FB激光器有較強的抗端面反射能力,可減小因端面反射引起的啁啾,改善集成器件的啁啾特性.有許多種工藝用于實現(xiàn)激光器和調制器的單片集成,如分別外延、區(qū)域選擇性外延、量子阱局部無序化等.但是,用一般工藝實現(xiàn)這類器件有很多難點,如工藝步驟多、成品率低等,分別外延還存在激光器到調制器的光耦合效率低的問題.這些集成工藝重點都放在如何3本研究得到了國家自然科學基金杰出青年基金(69525407、“863”高技術計劃(8632307204206的資助羅毅男,1960年出生,教授,博士生導師,從事半導體光電子學

4、方面的研究文國鵬男,1972年出生,博士生,研究方向為增益耦合型D FB激光器 電吸收調制器單片集成器件1997212211收到,1998204222定稿實現(xiàn)激光器和調制器的不同帶隙.但在多量子阱中,由于能隙收縮和多體效應等原因,導致在能隙的低能方向上仍然存在著足夠的增益.特別是在應變量子阱材料中,增益譜更寬、更平直1.因而,可以利用B ragg光柵的選頻作用,直接使激光器工作在帶隙的低能方向上.同時含吸收光柵的增益耦合D FB激光器的最佳工作波長相對于有源層的增益峰有向長波長偏離的傾向.這樣,即使激光器的有源層和調制器波導層采用同一外延層,也能使靜態(tài)時激光器工作波長位于調制器吸收邊的外側.于

5、是可以用非常簡單的方法實現(xiàn)集成:即激光器有源層和調制器吸收層采用完全相同的多量子阱結構,利用B ragg光柵將激光器工作波長固定在調制器吸收邊的長波長方向.文獻2曾報道過該種十分簡單的結構,但采用的是折射率耦合機理,我們幾乎同時開展了類似的研究3,并報道了一種基于GaA s材料的集成器件.本文首次報道該種結構的1155m InGaA sP InP部份增益耦合D FB激光器與電吸收調制器的單片集成器件.2器件的設計與制作該集成器件的結構示意圖見圖1,其中激光器部份的有源層和調制器部份的吸收層采用同一分別限制的應變多量子阱層.因此,該器件不但制作工藝可以大大簡化,而且采用調整激光器激射波長紅移量的

6、方法可以設計出具有負啁啾的集成器件. 該器件中激光器的光圖1集成光源結構示意圖柵周期對材料的激子吸收峰有35nm的紅移.根據(jù)我們的計算結果,此時可以得到=-015的負啁啾.集成器件中的激光器部份采用部份增益耦合的D FB激光器結構,并采用脊波導進行橫模限制.該集成器件采用兩步M OV PE外延生長.第一步外延中,在n型InP襯底上依次生長n2InP緩沖層(015m,1×1018c m-3、光熒光峰值在1124m(表征其能帶寬度處的i2InGaA sP(簡稱Q1124下波導層(011m、i2M QW有源層(5周期,阱為Q117,415nm;壘為Q1124,1317nm、p-2Q1124

7、上波導層(011m、p2InP上限制層(011m,1×1018c m-3、n型四元光柵層(Q1124,25nm,1×1017 c m-3.然后利用兩次曝光、濕法刻蝕的方法在光柵層上光刻制作了一級部分光柵,光柵周期24217nm.在二次外延中,首先生長20nm的p2InP層,長平光柵,接著生長Q1115腐蝕停止層(50nm、p2InP上限制層II(117m,1×1018c m-3和p+2Q1115歐姆接觸層(012m.接下去首先光刻二次外延片,去掉激光器和調制器之間的歐姆接觸層,實現(xiàn)激光器和調制器的電極分離.電極分離區(qū)寬為40m.然后利用濕法腐蝕制作了脊波導,脊寬5

8、m.我們仔細選擇了脊波導的腐蝕液,得到了約70°的倒脊.這樣一方面允許使用較寬的脊,有利于電極的制作、降低了對歐姆接觸的要求,并可以增加電極的壽命;另一方面,倒脊對橫模的限制作用更強,有利于器件的單模工作.為了提高集成器件的調制速率,我們采用圖形電極來有效地減小調制器的電容,并將激光器電極和調制器電極放置在脊的異側,以減小兩個電極之間的高頻耦合,防止因調制信號耦合到激光器而引起啁啾.855半導體學報19卷電極制作完畢后,將外延片解理成長約600m 的單片集成器件,其中激光器部份和調制器部份的長度分別約400m 和160m .為了增加集成器件的輸出功率,并減小調制器端面反射造成的調制啁

9、啾,在調制器端面鍍了反射率小于1%的減反膜.最后將集成器件焊到熱沉上,并引出電極,進行了初步的測試.3器件的靜態(tài)性能在脈沖與連續(xù)工作的條件下對集成器件的靜態(tài)工作特性進行測試的結果,表明器件閾值為3060mA ,在室溫下實現(xiàn)單模激射,邊模抑制比大于40dB .器件的隔離電阻一般大于10k 8.圖2為集成器件在處于開啟狀態(tài)時的典型激射譜.圖3是在不同反向偏壓下調制器端測得的P 2I 特性.在調制器部份加上反向偏壓后,集成器件的輸出光功率衰減很明顯:反向偏壓-115V 時消光比為916dB ,-3V 時為11dB .調制深度飽和的原因可能是M QW 層的阱數(shù)沒有優(yōu)化.在靜態(tài)調制過程中沒有出現(xiàn)閾值變化

10、、激射波長移動和跳模等現(xiàn)象.我們也測試了激光器端的輸出特性,其功率遠低于調制器端且基本不隨調制電壓變化 .圖2集成光源處于開啟狀態(tài)時的典型激射譜測試功率:4mW ,環(huán)境溫度:23 .圖3從調制器端面測量的集成光源P 2I 特性4結論我們利用兩步M OV PE 成功地制作了1155m 的InGaA sP InP 部份增益耦合D FB 激光器 電吸收調制器集成器件,典型器件的閾值電流40mA ,邊模抑制比40dB ,消光比11dB .這是首次在InGaA sP InP 材料系中實現(xiàn)部份增益耦合D FB 激光器電吸收調制器集成器件,該集成器件對高速、長距離干線光纖通信有很大的實用價值.致謝在器件的制

11、作和測試過程中,本文作者得到了武漢電信器件公司劉濤、周寧、胡常炎、顧亮、黃格凡、劉自力、張哲民等人的大力協(xié)助,在此表示感謝.9557期羅毅等:1.55m InGaA sP InP 部份增益耦合分布反饋式激光器 電吸收調制器集成器件065半導體學報19卷參考文獻1Fo r examp le,C.E.Zah et al.,E lrctron.L ett.,1992,28:824825.2A.R am dane et al.,14th IEEE Internati onal Sem iconducto r L aser Conference,H aw aii,pp.3940,Sep t.1994.3

12、Y.L uo et al.,I OOC95,Hong Kong,1995,3(6:9899.1.55m I nGaA sP I nP Parti a lly Ga i n-Coupled D FBLa ser Electroabsorption M odula tor I n tegra ted D ev iceL uo Y i,W en Guop eng,Sun Changzheng(S tate K ey L ab on In teg rated Op toelectron ics,D ep t.of E lectronic E ng ineeringT sing hua U nivers

13、ity,B eij ing100084L i Tongn ing,Yang X inm in,W ang R enfan,W ang Cailing,J in J inyan(W uahan T eleco mm un ica tion D ev ice Corp era tion,W uhan430074R eceived11D ecem ber1997,revised m anuscri p t received22A p ril1998AbstractW e repo rt a si m p le structu re fo r1.55m InGaA sP InP p artially Gain2Coup led D FB L aser E lectroab so rp ti on M odu lato r m ono lith ic in tegrated device fo r the first ti m e. R idge w avegu ide is