专利名称：带光检测器的半导体光放大器及利记博彩app
技术领域：
本发明涉及光放大器，更具体地，涉及一种集成于单晶体衬底上带光检测器并且能够在光放大器的输入/输出端检测光强度的增益箝制半导体光放大器，以及一种制作该增益箝制半导体光放大器。
背景技术：
在普通的光通信系统中，从发送器发射并通过光传输线路发送的的光会遇到传输损耗，使到达接收器的信号被衰减。当达到接收器的光功率小于预定值时，接收错误会使得不能进行正常的光通信。因此，在发送器和接收器之间设置光放大器，以便对光进行放大，从而补偿通过光传输线路发送的光的传输损耗，并使得要被远距离发送的光错误很少。
这种光放大器包括铒掺杂光纤放大器(下称EDFA)、拉曼放大器及半导体光放大器(下称SOA)。
为了放大而使用掺杂如铒之类稀土元素的光纤的EDFA具有高增益特性、低噪声系数(NF)以及高饱和输出功率。因此EDFA被广泛应用于骨干网及城域网。不过，EDFA价格昂贵，并且所提供的操作波长限于1.5μm频带。
拉曼放大器使用了光纤中的拉曼放大。拉曼放大是一种使用所谓拉曼放大现象而对光进行放大的方法。根据拉曼放大，当强光的泵浦光射入光纤时，由于受激拉曼散射，在距离泵浦光波长大约100纳米(nm)的波长更长一侧出现增益。使具有上述增益波长频带的光入射到被激励的光纤中，从而使光被放大。通过适当设定拉曼放大所用泵浦光的波长，拉曼放大器可以容易地调整放大频带，并具有低噪声系数。不过，拉曼放大器不仅的光放大效率非常低，而且还需要昂贵的泵浦光源，从而提高了光放大器模块的整体规模以及光放大器模块的造价。
SOA利用半导体的增益特性，并且可以根据半导体频带间隙调整其放大频带。SOA的优势特征在于尺寸小，仅几个厘米(cm)，特别是不需要高价的泵浦光源。
不过，通常SOA会遭遇增益饱和现象，其中增益值随着输入信号强度的增大而减小。因此，对于具有高光功率传输信号的放大，会引起信号的失真。
为了解决这个问题，提出一种具有如图1所示结构的增益箝制SOA。
图1是传统增益箝制半导体光放大器(增益箝制SOA)100的结构示意图。这种增益箝制SOA包括n-Inp衬底101、InGaAsP无源波导层102、InP隔片103、DBR栅格图案104、有源层波导105、电流阻挡层106、p-InP复合层107、用于减少欧姆接触电阻的p-InGaAs层108、氧化物层109、上电极110和下电极111。
增益箝制SOA 100包括短波长激光振荡器，所述短波长远离使用分布布喇格反射器栅格放大输入信号的波长范围，由此，固定了谐振器中载波的密度，从而，即使在驱动电流增加的情况下，也能保持恒定的光增益。
不过，在传统增益箝制SOA中，信号的第一处理方向(如图1中“A”所示)与激光束的第二处理方向(如图1中“B”所示)相同，以引入振荡。因此，在放大多个信道的信号时，振荡波长与信号波长之间会产生四波混合现象。此外，传统增益箝制SOA的另一个问题在于，需要单独的波长滤波器，用以去除激光器的振荡波长。
同时，为了控制增益箝制SOA的增益，或者检查设备是否适当地运行，有必要知道输入信号和放大/输出信号的强度。为此，传统地是在利用光分配器分离输入放大器信号的部分光功率和放大器输出信号的部分光功率之后，要将每一部分输入到光检测器中进行测量。
然而，按照这种传统技术，由于分离了部分信号，会损耗光功率，从而退化了光放大器的诸如噪声、饱和光输出、增益等重要属性。此外，由于额外需要至少一个光分配器和至少一个光检测器，以便检测部分光信号，就使元件数目和过程数都增加，使得更难实现具有竞争力的产品价格。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明的目的在于提供一种带光检测器的半导体光放大器，所述半导体光放大器能够在光放大器的输入/输出端检测信号强度，而无需使用单独的光分配器。
本发明的另一个目的在于提供一种带光检测器的半导体光放大器和制作这种半导体光放大器的方法，其中所述光检测器能够检测集成于单晶体衬底上的光放大器输入/输出端处的信号强度。
为了实现这些目的，提供一种半导体光放大器，包括第一导电半导体衬底；半导体光放大器，它形成于半导体衬底上，从而具有在水平方向上产生激光的结构；以及第一和第二光检测器，它们分别形成于距离半导体光放大器的输入侧和输出侧有一定水平间隔的那部分半导体衬底上，从而测量所述半导体光放大器的输入信号和输出信号的强度。
首选是所述第一和第二光检测器具有与半导体光放大器之增益层相同的材料。
本发明的另一方面，提供一种制作带光检测器之半导体光放大器的方法，所述方法包括如下步骤(a)在除预定增益层区和预定光检测器区之外的那部分第一导电半导体衬底上形成布喇格栅格；(b)在形成所述布喇格栅格的第一导电半导体衬底上，形成第一导电下复合层、光波导层、第一导电上复合层、增益材料层和第二导电复合层；(c)在与预定增益层区相应并与分别水平地距离所述预定增益层区的前端到后端预定间隔区域相应的那部分第二导电复合层上形成掩膜图案；(d)通过利用掩膜图案作为蚀刻掩膜的蚀刻处理，以选择的方式蚀刻所述第二导电复合层和所述增益材料层，然后去除掩膜图案；(e)形成电流阻挡层，用以防止电流流入除增益层和光检测器区之外任何区域；以及(f)形成用于给增益层和光检测器区提供电流的电极。
以下通过参照附图的详细描述，其中完全相同地注释了几个附图中的相同或相似元素，将使本发明的上述以及其它目的、特征及优点更为显而易见。其中图1是传统增益箝制SOA的结构示意图；图2是本发明一种实施例带光检测器的SOA的结构示意图；图3是沿图2中I-I′线所取的截面图；图4A至4G是说明图2中带光检测器的SOA制作过程的示意图；图5是本发明另一种实施例带光检测器的SOA结构示意图；图6A至6E是说明图5中带光检测器的SOA制作过程的示意图。
具体实施例方式
以下将参照附图，说明本发明优选实施例带光检测器的半导体光放大器及其利记博彩app。在以下对本发明的说明中，为了使表述清楚，省略对所用已知功能和结构的详细说明。
图2以示意的方式并且是非限制性的示例方式，示出本发明一种实施例带光检测器的SOA的结构示意图，而图3是沿图2中的I-I′线所取的截面图。
所述带具有光检测器的SOA 200包括半导体衬底201、布喇格栅格层202、n-Inp下复合层203、无源光波导层204、n-Inp上复合层205、增益层206、p-Inp复合层207、电极209、电流阻挡层208以及光检测器220-1和220-2。此外，所述SOA 200还包括变相区210及变相电极211。
为使光具有相应波长，以便能在在布喇格栅格层202的各布喇格栅格之间谐振，将布喇格栅格层202形成于无源光波导层204的上方或下方，从而使布喇格激光沿水平方向振荡。表示本实施例的各图示出将布喇格栅格层202形成于无源光波导层204下方的情况。
为了限制布喇格栅格层202两侧形成的布喇格栅格谐振模式的光损失，并有效地实行布喇格反射，所述无源光波导层204在布喇格栅格层202和增益层206之间给出较高光约束系数，并且具有大于半导体衬底201的折射率。
增益层206放大输入光信号，并被形成在其下方未形成布喇格栅格202的那部分n-InP上复合层205上。p-InP复合层207形成在增益层206上。
电流阻挡层208阻止电流流入除增益层206之外的任何区域，从而提高了增益层206的电流效率。所述电流阻挡层208形成在n-InP上复合层205中除了增益层206的外围以及光检测器区220之外的那部分上。
电极209向增益层提供电流，并且形成于n-InP上复合层205的开阔区域，从而在制造模块时，可以容易地连接这些导电导线。
变相区210通过控制产生激光的波长来控制激光的临界电流，从而控制增益箝制SOA的增益值。通过从部分布喇格栅格层202上省略布喇格栅格，可以实现该变相区210。
通过改变加到变相区210的电流或电压，变相电极211能够改变激光的振荡波长。变相电极211形成于电流阻挡层208或n-Inp上复合层205上。当激光器的振荡波长变化时，由于形成增益区的增益曲线随波长而不同，因此振荡所需的驱动电流会随之变化。结果，放大器的增益值在用于放大的波长区域之内变化。
光检测器220-1、220-2测量增益箝制产生激光波长的输出值，该输出值的变化分别取决于SOA输入信号和输出信号的强度。光检测器220-1、220-2形成于距离SOA的输入侧和输出侧一定水平间隔的位置。光检测器220-1、220-2包括与SOA的增益层206相同的材料。在实行用以形成增益层的蚀刻处理时，通过在距离增益层206一定水平间隔的位置留出预定的增益材料部分，可以把光检测器220-1、220-2与SOA一起集成于单晶体衬底上，而无需单独的光检测器生成过程。以类似形成增益层206的方式，将p-InP复合层222以及电极223形成于每一个光检测器220-1、220-2的有源层221上。
在工作方面，参照图2和图3，当将泵浦电流注入增益层206时，形成自发发射，这种发射引起从较高能级的第一传导频带向较低能级的第二传导频带转移，从而，由于向较低能级价带的转移，出现受激发射。从增益层206的自发发射产生的部分光被限制在无源光波导层204。通过形成于无源光波导层204和增益层206以及增益层206两侧之间的谐振间隔，使满足布喇格栅格谐振条件的特定波长受限光被重复反馈。当发生一次反馈时，具有特定波长的光通过增益层两次，以利用由于光密度倒置产生的受激发射而得到增益。当增益层206的增益随电流的增大而增加，直至该增益大于水平方向一次反馈过程中产生的光损耗时，就产生振荡。这种振荡开始时，增益层的电荷密度是固定的，从而作为一种增益箝制特性，增益层的增益显示出尽管驱动电流增大，但装置的增益并不增大。当驱动电流连续增大超过振荡电流时，增益并不增大；相反，只有振荡波长的光强度不断增加。此时，在增益层206的长度方向(如图2中的“A”所示)使光得以被放大，并在水平方向(如图2中的“B”所示)出现激光的振荡。
同时，在注入到SOA的信号强度增大时，由于线性增益特性，被放大之信号的强度也随之增大。与此同时，为了增益箝制所用的布喇格栅格的振荡输出相对减小，在使用具有短波长而不是放大波长的激光振荡特性的增益箝制SOA的情况下，当要被放大的信号通过放大器时，浪费了放大器中电荷的相应波长部分。电荷密度的减少使振荡激光波长的输出减小。此外，所浪费的电荷量随着信号强度的增大而增加，从而减小了振荡波长的强度。此时，根据沿水平方向测量的振荡波长的强度与通过放大器的信号强度之间的关系，通过测量振荡波长强度，可以发现信号的强度。
由于在通过放大器的同时，振荡波长强度减少了放大输入信号所需能量的量，因此在SOA的输入端和输出端，由光检测器检测到的电压强度与通过放大器的信号强度成反比。于是，使用这种特性，就可以知道输入到放大器装置的信号强度，以及放大器装置放大的信号强度。
图4A至4G是说明图2中所示带光检测器的脊形(ridge)波导型增益箝制SOA制作过程的示意图。
首先，如图4A所示，在n-InP衬底上形成材料层202′，该层的折射率与n-InP衬底201及n-InP层203的不同，从而在n-InP衬底上形成布喇格栅格。
参照图4B，通过以选择的发射进行蚀刻处理，在n-InP衬底201上除预定的增益层形成区230、预定的光检测器区220和预定的变相区210之外的部分形成布喇格栅格层。此时，可在n-InP衬底201上没有形成变相区210的除增益层形成区230之外的部分形成布喇格栅格层202。可以通过普通波长反馈激光所用的传统方法形成该布喇格栅格层202。
参照图4C，依次在布喇格栅格层202上生成n-InP下复合层203、无源波导层204、n-InP上复合层205、增益材料层206′和p-InP复合层207。生成的增益材料层206′具有体结构(bulk)或量子阱结构。通过根据输入光信号的波长改变形成增益层的材料合成比例，或者改变增益层的厚度，能够控制增益材料层206′的放大频带。图4C中虚线圆内的阶梯形图形表示无源光波导层204到p-InP复合层207的频带间隙。虽然可以将布喇格栅格202形成于无源光波导层204的上方或下方，本实施例针对使布喇格栅格202形成于无源光波导层204下方的情况。此外，尽管未示出，通过附加过程，也可以形成蚀刻阻止层，从而形成脊形类的波导。
参照图4D，在p-InP复合层207上形成包含SiO2、SiN2等的掩膜图案250。该掩膜图案250包括增益层掩膜图案251以及形成有源层的掩膜图案252、253。其中，所述增益层掩膜图案形成于增益层形成区，形成有源层的掩膜图案形成于增益层的前端和后端，同时，水平地距离增益层掩膜图案预定的间隔。
参照图4E，通过使用掩膜图案250作为蚀刻掩膜，对增益材料层206′进行蚀刻，从而形成增益层206和光检测器有源层221，然后去除掩膜图案250。
参照图4F，在把SiO2或SiN2208沉积到经过以选择方式蚀刻处理的所得结构上之后，实行光掩膜处理和蚀刻处理，以露出要使电流被注入的增益区。此后，形成电极209、223。通过上述过程，在除增益层206和光检测器有源层221之外的区域，形成电流阻挡层208。
参照图4G，在变相区210对应的那部分电流阻挡层208上形成变相电极211。
除图2所示的脊形波导类增益箝制SOA之外，可将本发明带光检测器的SOA实行成为内埋异形结构。
图5是表示本发明另一种实施例可能的增益箝制SOA 300结构示意图，该增益箝制SOA 300具有包含光检测器的内埋异形结构。所述增益箝制SOA 300包括半导体衬底301、增益层302、p-Inp下复合层303、电流阻挡层309、光波导层310、布喇格栅格层312、p-Inp上复合层314、电极315、光检测器区340、光检测器电极317和绝缘层319。此外，SOA 300还包括变相区320和在变相区320上形成的变相电极316。
具有异形结构的水平产生激光构造的增益箝制SOA 300的工作情况与图2所示脊形波导类型增益箝制SOA 200的工作情况相似。因此省略详细的说明。
图6A至6E是说明图5所示内埋异形结构增益箝制SOA 300的优选制作过程的示意图。
首先，如图6A所示，在n-InP衬底301上生成增益材料层302′和p-InP下复合层303′。
参照图6B，通过使用SiO2或SiNx掩膜的蚀刻处理，在与预定增益层区330及预定光检测器区340相应的p-InP下复合层303′的部分上形成掩膜图案304。接下去通过使用掩膜图案304作为蚀刻掩膜的蚀刻处理，以选择的方式去除p-InP下复合层303、增益材料层302′和n-InP衬底301，从而形成具有台式结构增益层302、光检测器有源层341及蚀刻槽305。
参照图6C，在蚀刻槽305中形成包含p-InP层306、n-InP层307和p-InP层308的电流阻挡层309。随后，在电流阻挡层309上形成光波导层310，它包含具有高于n-InP衬底301折射率的材料。与此同时，最好将所述增益层302和光波导层310之间的间隙限制在2μm内，用于增益层302和光波导层310之间模式的光连接。随后，为了在光波导层310的区域上形成栅格，生成薄p-InP复合层311、具有高折射率并形成栅格的材料层312以及p-InP复合层313。
参照图6D，在除变相区320之外的光波导层310上形成布喇格栅格层312之后，将p-InP上复合层314形成于其上。与前述实施例相同，可以将布喇格栅格312形成于光波导层310的上方或下方。本实施例针对将布喇格栅格形成于光波导层310上方的情况。此外，可以根据需要，形成或者不形成变相区320。形成布喇格栅格320的方法与用于普通波长反馈激光的传统方法相同。
参照图6E，在所得结构的整个上表面上形成p-InP上复合层314，并将SiNx绝缘层319沉积于p-InP上复合层314上。然后，在实行光掩膜处理以及蚀刻处理以露出电流注入的区域之后，分开形成电极315、316及317。电极315把电流提供给增益层，变相电极316把电流提供给变相区320，而电极317把电流提供给光检测器有源层。在形成电极315、316以及317之后，对p-InP上复合层314进行蚀刻，从而使光放大区330、光检测器区340和变相区320彼此分离。
如上所述，按照本发明，由于将SOA及光检测器集成于一个单晶衬底上，所以可在光放大器的输入端和输出端检测信号的强度，而无需使用单独的光分配器。因此就避免因使用光分配器导致的光损耗，从而提高了光放大器的增益特性。
此外，根据所述制作具有光检测器的SOA的方法，可以将SOA及光检测器集成在一个单晶半导体衬底上，而无需实行单独的光检测器生成过程。这可以通过在实行形成SOA增益层的蚀刻处理时，在水平地距离该增益层一定间隔的位置处留出增益材料层而实现。因此，在制造光放大器模块时，使元件的数目减少，并使过程简化，从而能够制造低价的光放大器。
尽管参照特定的优选实施例表示并说明本发明，但本领域的技术人员可以理解，在不脱离所附各权利要求确定的本发明精神及范围内，可对本发明进行各种形式上和细节上的改型。
权利要求
1.一种半导体光学器件，包括第一导电半导体衬底；半导体光放大器，它形成于所述半导体衬底上，具有在水平方向上产生激光的结构；第一和第二光检测器，分别形成于距离半导体光放大器的输入侧和输出侧有一定水平间隔的那部分半导体衬底上，以测量所述半导体光放大器的输入信号和输出信号的强度。
2.根据权利要求1所述的半导体光学器件，其特征在于，所述半导体光放大器包括脊形波导类半导体光放大器。
3.根据权利要求2所述的半导体光学器件，其特征在于，还包括电流阻挡层，它包含两个p-Inp层和一个n-InP层。
4.根据权利要求2所述的半导体光学器件，其特征在于，所述半导体光放大器包括布喇格栅格，它以选择的方式形成于除预定增益层区域之外的那部分半导体衬底上；第一导电下复合层，它形成于半导体衬底上表面的开阔区，以包围所述布喇格栅格；光波导层，它形成于所述下复合层上；第一导电上复合层，它形成于所述光波导层上；增益层，形成于预定增益层区相应的那部分第一导电上复合层上，用以放大光信号；第一电极，用于给所述增益层提供电流；以及电流阻挡层，用于阻止电流流入除所述增益层之外的任何区域。
5.根据权利要求4所述的半导体光学器件，其特征在于，所述第一和第二光检测器分别形成于距离半导体放大器的输入侧和输出侧一定水平间隔的那部分第一导电上复合层上。
6.根据权利要求5所述的半导体光装置，其特征在于，所述第一和第二光检测器中的每一个包括有源层，该有源层包含与所述增益层相同的材料；形成于所述有源层上的第二导电复合层；以及形成于所述第二导电复合层上的第二电极。
7.根据权利要求4所述的半导体光学器件，其特征在于，所述第一和第二光检测器中的每一个包括有源层，该有源层包含与所述增益层相同的材料；形成于所述有源层上的第二导电复合层；以及形成于所述第二导电复合层上的第二电极。
8.根据权利要求7所述的半导体光学器件，其特征在于，所述光波导层形成于所述布喇格栅格的上方或下方。
9.根据权利要求4所述的半导体光学器件，其特征在于，还包括形成于所述布喇格栅格的各栅格之间的变相区。
10.根据权利要求9所述的半导体光学器件，其特征在于，还包括变相电极，给所述变相区提供电流。
11.根据权利要求10所述的半导体光学器件，其特征在于，所述变相电极位于与所述变相区相应的那部分电流阻挡层上。
12.根据权利要求1所述的半导体光学器件，其特征在于，所述半导体光放大器包括内埋异形结构半导体光放大器。
13.根据权利要求12所述的半导体光学器件，其特征在于，还包括电流阻挡层。
14.一种制作带光检测器之半导体光放大器的方法，所述方法包括如下步骤(a)在除预定增益层区和预定光检测器区之外的那部分第一导电半导体衬底上形成布喇格栅格；(b)在形成所述布喇格栅格的第一导电半导体衬底上形成第一导电下复合层、光波导层、第一导电上复合层、增益材料层和第二导电复合层；(c)在与预定增益层区相应和与分别水平地距离所述预定增益层区的前端到后端预定间隔区域相应的那部分第二导电复合层上形成掩膜图案；(d)通过利用所述掩膜图案作为蚀刻掩膜的蚀刻处理，以选择的方式蚀刻所述第二导电复合层和所述增益材料层，然后去除掩膜图案；(e)形成用于防止电流流入除增益层和光检测器区之外任何区的电流阻挡层；以及(f)形成用于给增益层和光检测器区提供电流的电极。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，在除预定的增益层区、预定的光检测器区以及预定的变相区之外的那部分半导体衬底上形成所述布喇格栅格。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(f)还包括形成用来给增益层区、光检测器区和变相区提供电流之电极的步骤。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括将半导体光放大器集成在单晶体半导体衬底上的步骤，而无需实行单独的光检测器生成过程。
18.一种制作带光检测器之半导体光放大器的方法，所述方法包括如下步骤(a)在第一导电半导体衬底上形成增益材料层和第二导电下复合层；(b)在与预定增益层区及预定光检测器区相同的那部分第二导电下复合层上形成掩膜图案，并通过利用掩膜图案作为蚀刻掩膜的蚀刻处理，以选择的方式去除第二导电下复合层、增益材料层和半导体衬底，形成台式结构的增益层、光检测器的有源层及蚀刻槽；(c)在所述蚀刻槽中形成电流阻挡层；(d)在所述电流阻挡层上形成光波导层，所述光波导层包含具有大于半导体衬底折射率的材料；(e)在所述光波导层上形成布喇格栅格；(f)在形成所述布喇格栅格之所得结构的整个上表面上形成第二导电上复合层；以及(g)分别形成用于给增益层和光检测器有源层提供电流的电极。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中，所述布喇格栅格层的预定部分没有布喇格栅格，从而在那里形成变相区。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，在所述步骤(g)中，形成用于给增益层、光检测器有源层和变相区提供电流的第一、第二及第三电极。
全文摘要
一种带光检测器的增益箝制半导体光放大器，所述光检测器集成于单晶体衬底上，能够检测光放大器输入/输出端的光强度。该半导体光放大器包括第一导电半导体衬底；形成于半导体衬底上的半导体光放大器，具有在水平方向上产生激光的结构；以及第一和第二光检测器，分别形成于距离半导体光放大器的输入侧和输出侧有一定水平间隔的那部分半导体衬底上，以测量所述半导体光放大器的输入信号和输出信号的强度。
文档编号H01S5/50GK1584652SQ20041000780
公开日2005年2月23日 申请日期2004年3月2日 优先权日2003年8月20日
发明者李定锡, 吴润济, 黄星泽 申请人:三星电子株式会社