专利名称：基于环腔的电吸收调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子集成器件技术领域，特别涉及一种基于环腔的电吸收调制器。
背景技术：
调制器是数字光通信系统、光纤无线电技术(RoF)及片上互连中的核心器件之一。这些应用都要求调制器具有高调制效率、低驱动电压、低功耗等特性。同时随着光电子集成度的发展，要求器件体积更小，更易集成。数字通信链路中，低驱动电压调制器意味着低驱动电压，低驱动电路能耗，并且易于与CMOS集成电路兼容。模拟链路中，调制器的调制效率是决定链路性能的关键参数，低驱动电压调制器可以带来高链路增益、低高信噪比、大动态范围等优势。因此，低驱动电压调制器一直是研究的热点。用于制作的外调制器结构主要分为两类干涉型和电吸收型，分别以基于多量子阱材料电光效应的Mach-Zehdner调制器和利用量子限制Mark效应的多量子阱(MQW)电吸收(EA)调制器为代表。干涉型调制器虽然具有对工作波长不敏感、啁啾可调的特性，但存在制作困难、器件尺寸较大等缺点。而电吸收调制器因为具有器件尺寸小、啁啾可控、制作工艺简单等优点，已被广泛地应用，但由于受限于插入损耗和带宽等因素，降低驱动电压存在困难。目前，光纤通信最常用的是基于MQW的EA调制器，其工作原理是量子限制斯塔克效应OiCSE)。由于量子阱的限制作用，量子阱材料的吸收边具有非常陡峭的激子吸收峰。 当施加垂直于量子阱方向的外加电场时，量子阱能带发生倾斜，激子吸收峰向长波长方向移动，同时吸收边变缓，这就是QCSE效应。如果将输入光的波长选定在EA调制器量子阱材料激子吸收峰的长波长处，则在不加外偏压的条件下，EA调制器吸收小，输出光功率强。在外加偏压作用下，EA调制器吸收峰红移，对光的吸收增加，输出光功率变弱。为了达到一定的消光比，器件长度一般大于100 μ m。可以通过增加吸收长度降低驱动电压，但同时会增加插入损耗和调制带宽的降低。近些年来，谐振型调制器由于其灵敏度高和体积小等优势受到广泛的重视，环腔调制器是谐振腔调制器中较为典型的一类。环腔调制器的结构如图1所示，其中环腔结构与输入输出直路波导以一定的耦合效率进行耦合。工作时，输入光由直路波导输入，直路透过光与绕腔传播不同次数的耦合输出光产生干涉，导致直路波导的输出光随腔内的光程及损耗改变而改变。目前，将环腔应用于调制器都是利用改变腔内的折射率来改变透过光的原理。折射率的变化一般通过等离子效应或电光效应实现。当波长处于谐振处时，透过系数随传播系数的改变而迅速变化，从而可以达到降低驱动电压的目的。但目前还没有将环腔与EA调制器相结合的单片集成光电子器件。与传统直路EA调制器相比，将环腔应用于 EA调制器具有降低等效半波电压和减小器件体积的优势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高电吸收调制器的调制效率，并降低电吸收调制器的尺寸及集总电路电容参数。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于环腔的电吸收调制器，所述电吸收调制器包括相互耦合的电吸收波导和直路输入输出波导，所述电吸收波导为环腔结构。优选地，所述电吸收波导的外延结构包括依次外延生长在N型衬底上的下包层、 下波导层、多量子阱有源层、上波导层、上包层和欧姆接触层，所述欧姆接触层连接P电极， 所述N型衬底连接N电极。优选地，所述直路输入输出波导与所述电吸收波导的外延结构相同。优选地，所述微环电吸收部分通过选择区域生长的方式增加所述多量子阱有源层的厚度，使荧光波长较所述直路输入输出波导红移，以减小直路输入输出波导的传输损耗。优选地，所述电吸收波导和直路输入输出波导之间的光强耦合系数的取值范围为 0. 01 0. 8。优选地，所述环腔结构为圆形环。优选地，所述圆形环的一段为光放大段，并在所述光放大段两端设置电隔离区。优选地，所述环腔结构由直波导段和扇形波导段组成。优选地，所述电吸收波导和直路输入输出波导均采用脊波导结构。(三)有益效果本发明的优势在于1)利用了直路输入输出波导和基于环腔的电吸收波导的耦合作用，由于直路透过光与绕腔传播不同次数的耦合输出光产生干涉，由于环腔的谐振特性，使透过光对腔内的损耗相比一般电吸收调制器敏感，从而提高调制效率；幻将电吸收调制器中的电吸收波导做成环腔结构后，器件尺寸可以减少一个数量级，降低了集总电路电容参数，具有高频调制的潜能。
图1是按照本发明一种实施方式的基于环腔的电吸收调制器中电吸收波导的外延结构示意图；图2是按照本发明第一种实施例的基于环腔的电吸收调制器的结构示意图；图3是按照本发明第二种实施例的基于环腔的电吸收调制器的结构示意图；图4是按照本发明第三种实施例的基于环腔的电吸收调制器的结构示意图。其中，1 :N电极；2 :N型衬底；3 :下包层；4 下波导层；5 多量子阱有源层；6 上波导层；7 上包层；8 欧姆接触层；9 =P电极；10 直路输入输出波导；11 电吸收波导；12 光放大段；13 电隔离区；14 直波导段；15 扇形波导段。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的基于环腔的电吸收调制器包括相互耦合的电吸收波导11和直路输入输出波导10，所述电吸收波导11为环腔结构。
参照图1，所述电吸收调制器中的电吸收波导的外延结构包括依次外延生长在N 型衬底2上的下包层3、下波导层4、多量子阱有源层5、上波导层6、上包层7和欧姆接触层 8，所述欧姆接触层8连接P电极9，所述N型衬底2连接N电极1，本实施方式中，所述电吸收波导的生长方法为首先采用金属有机物气相外延(MOCVD)在MP的N型衬底2上生长 N型InP下包层3 (厚度160nm、掺杂浓度约1 X 1018cm_3)、非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层4(厚度80nm，光荧光波长1150nm)。然后生长多量子阱有源层5，量子阱结构为10对量子阱阱宽7nm，0.4%压应变，光荧光波长1510nm，垒宽9nm，晶格匹配材料，光荧光波长 1150nm，再生长非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层6 (厚度lOOnm，光荧光波长1150nm)。 继续用MOCVD进行外延，依次生长P型的hP上包层7 (厚度1700nm，掺杂浓度从3 X 1017cm_3 渐变到为1 X IO18CnT3)和P型的InGaAs欧姆接触层8 (厚度lOOnm，掺杂浓度约1 X IO19CnT3)。所述电吸收波导11和直路输入输出波导10之间的光强耦合系数的取值范围为 0. 01 0. 8。实施例1参照图2，本实施例的电吸收调制器中的所述电吸收波导11为圆环形，所述直路输入输出波导10采用与电吸收波导11相同的外延结构和生长方法，包括依次外延生长在N 型衬底2上的下包层3、下波导层4、多量子阱有源层5、上波导层6、上包层7和欧姆接触层 8，所述电吸收调制器的工作波长为1550nm，所述电吸收波导11的半径为6. 2 μ m，所述电吸收波导11和直路输入输出波导10均采用高脊波导结构，脊宽为2 μ m，深约4 μ m，所述电吸收波导11和直路输入输出波导10之间最小间隔为0. 1 μ m。通过等离子增强化学气相淀积 (PECVD)的方法分别在所述电吸收波导11和直路输入输出波导10的两侧用S^2绝缘层来覆盖或填平，然后腐蚀掉所述电吸收波导11脊顶上的SiO2，用溅射的方法制作P电极9和 N电极1。本实施例的特征参数为光场耦合系数0. 6，耦合损耗约5 %，环腔插入损耗5 %，工作在谐振处，实现IOdB 消光比驱动电压0. 17V，等效半波电压约0. 2V，为直路相同长度EAM半波电压的1/5左右。实施例2参照图3，本实施例的电吸收调制器与实施例1的结构基本相同，不同之处在于， 所述圆形环的一段为光放大(SOA)段12，并在所述光放大段两端设置电隔离区13，所述电吸收波导11的半径为7 μ m,周长为44 μ m，其中，SOA段12的长为5 μ m,通过质子注入形成电隔离区13。在SOA段12注入电流，以减小环内插入损耗。本实施例的特征参数为光场耦合系数0. 6，耦合损耗约5 %，环腔插入损耗0. 5 %，工作在谐振处，实现 IOdB消光比驱动电压0. 15V，等效半波电压约为0. 16V，为直路相同长度EAM半波电压的 1/6左右。实施例3参照图4，本实施例的电吸收调制器与实施例1的结构基本相同，不同之处在于， 所述环腔结构由直波导段14和扇形波导段15组成，本实施例中，优选所述扇形波导段15 为半圆环形，其中直波导段14的长为2. 5 μ m，扇形波导段15的半径为2. 5 μ m。本实施例的特征参数为
光场耦合系数0. 6，耦合损耗约3 %，环腔插入损耗3 %，工作在谐振处，实现IOdB 消光比驱动电压0. 16V，等效半波电压约0. ISV0实施例4本实施例的电吸收调制器与实施例1的结构基本相同，不同之处在于，所述直路输入输出波导与所述环腔结构采用不同的外延生长方法，所述直路输入输出波导采用选择区域生长(SAG)，与实施例1生长方式的不同之处在于首先采用金属有机物气相外延 (MOCVD)在InP的N型衬底2上生长厚约0. 2um的SiO2。接着依次生长N型InP下包层3、 非掺杂晶格匹配^GaAsP下波导层4。然后生长多量子阱有源层5，量子阱结构为10对量子阱，晶格匹配材料，再生长非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层6。继续用MOCVD进行外延，依次生长P型的InP上包层7和P型的InGaAs欧姆接触层8。其中环腔结构的多量子阱层荧光波长为1510nm，较直路输入输出波导荧光波长1480nm红移30nm，输入光工作波长为1550nm。由于所述直路输入输出波导采用选择区域生长，因此，所述直路输入输出波导的荧光波长偏离工作波长较实施例1的大，因此直路输入输出波导的传输损耗减小。本实施例的特征参数为光场耦合系数0. 6，耦合损耗约5 %，环腔插入损耗5 %，工作在谐振处，实现IOdB 消光比驱动电压0. 17V，等效半波电压约0. 2V，为直路相同长度EAM半波电压的1/5左右。本发明的工作原理为光从所述直路输入输出波导的一端输入，在所述直路输入输出波导内传输时，一部分直接传输到输出端，一部分光由于波导间消逝场耦合作用耦合到电吸收波导中，光在所述电吸收波导中每绕一周都会有部分光耦合回所述直路输入输出波导输出，绕N周后耦合到所述直路输入输出波导的光与直接透过及绕I-(N-I)次耦合输出光干涉，输出光的振幅可以表示E-为I= I-Jfe^ I = TT^m ( !)其中，β为波导基模传播常数，L为所述电吸收波导的腔长，α为光绕所述电吸收波导一周场强的衰降系数(包含除耦合外的各种损耗因素)，t为所述直路输入输出波导的透过系数，κ为耦合交叉路耦合系数。由(1)式可以看出，当发生临界耦合时，即^L = 2ηπ(η为整数)，t= α时，输出光振幅为0。透射系数为 T =
-^OUt
2't af -(1- atf
= 1 + -
-at)2+4atsin2(^)(之)可以看出谐振处(β = 2ηπ)附近，α2在Ι-t2范围内变化时，输出系数变化相比α 2变化大，因此通过改变电吸收反偏电压，改变材料吸收系数进而改变环腔内损耗，使透过光发生改变，并且变化较相同长度直路电吸收引起的损耗α 2大，因此可以实现较传统电吸收调制器更大的变化率，从而实现高调制效率，低半波电压。输入光波长满足，所述电吸收波导的腔长除以光波长的商在一个自然数 + (-0. 05 0. 05)的范围内。通过控制电信号调节所述电吸收波导的单周光强吸收率，使其达到所述电吸收波导与直路输入输出波导之间的光强耦合系数的0% 110%范围内。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种基于环腔的电吸收调制器，其特征在于，所述电吸收调制器包括相互耦合的电吸收波导和直路输入输出波导，所述电吸收波导为环腔结构。
2.如权利要求1所述的电吸收调制器，其特征在于，所述电吸收波导的外延结构包括依次外延生长在N型衬底上的下包层、下波导层、多量子阱有源层、上波导层、上包层和欧姆接触层，所述欧姆接触层连接P电极，所述N型衬底连接N电极。
3.如权利要求1或2所述的电吸收调制器，其特征在于，所述直路输入输出波导与所述电吸收波导的外延结构相同。
4.如权利要求3所述的电吸收调制器，其特征在于，所述微环电吸收部分通过选择区域生长的方式增加所述多量子阱有源层的厚度，使荧光波长较所述直路输入输出波导红移，以减小直路输入输出波导的传输损耗。
5.如权利要求1或2所述的电吸收调制器，其特征在于，所述电吸收波导和直路输入输出波导之间的光强耦合系数的取值范围为0. 01 0. 8。
6.如权利要求1或2所述的电吸收调制器，其特征在于，所述环腔结构为圆形环。
7.如权利要求6所述的电吸收调制器，其特征在于，所述圆形环的一段为光放大段，并在所述光放大段两端设置电隔离区。
8.如权利要求1或2所述的电吸收调制器，其特征在于，所述环腔结构由直波导段和扇形波导段组成。
9.如权利要求1或2所述的电吸收调制器，其特征在于，所述电吸收波导和直路输入输出波导均采用脊波导结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于环腔的电吸收调制器，涉及光电子集成器件技术领域，所述电吸收调制器包括相互耦合的电吸收波导和直路输入输出波导，所述电吸收波导为环腔结构。本发明的优势在于1)利用了直路输入输出波导和基于环腔的电吸收波导的耦合作用，由于直路透过光与绕腔传播不同次数的耦合输出光产生干涉，由于环腔的谐振特性，使透过光对腔内的损耗相比一般电吸收调制器敏感，从而提高调制效率；2)将电吸收调制器中的电吸收波导做成环腔结构后，器件尺寸可以减少一个数量级，降低了集总电路电容参数，具有高频调制的潜能。
文档编号G02F1/017GK102338940SQ20111025618
公开日2012年2月1日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者刘冬, 孙长征, 熊兵, 罗毅 申请人:清华大学