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(shù)，通過電控可調(diào)光譜形狀的超寬光譜，來滿足粗波分復用和城域網(wǎng)中出現(xiàn)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(zhì)量子阱混合技術(shù)在每段的增益譜之間產(chǎn)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(yōu)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(tǒng)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(cè)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(yè)的持續(xù)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(zhì)中的激發(fā)態(tài)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(tǒng)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(wǎng)絡中產(chǎn)生震蕩。半導體的激發(fā)態(tài)壽命比EDFA短六個數(shù)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(tài)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(shù)[2，3]，當SOA光譜譜寬45至60nm目前已經(jīng)實現(xiàn)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(jīng)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(diào)制信號的比特模式并通過增益飽和來調(diào)制另一波長的弱連續(xù)光束的增益實現(xiàn)了波長變換[7，8]。圖1.1展示了SOA的研究重點，為本次調(diào)查提供了背景。

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

1.2 SOA的設計挑戰(zhàn)

1.2.1 高增益帶寬

粗波分復用（CWDM）技術(shù)與密集波分復用技術(shù)（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(wǎng)絡的建設成本。CWDM在1260到1620nm帶寬范圍內(nèi)，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(tǒng)的DWDM技術(shù)相比，CWDM設備的成本預計低30%[9]。然而，由于CWDM占據(jù)了整個低損耗光纖窗口，對現(xiàn)有的光放大器提出了重大挑戰(zhàn)。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(tǒng)光放大解決方案。

1.2.2 集成度及靈活性

城域網(wǎng)（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(wǎng)（MAN）還必須具有可擴展性和可重構(gòu)性，以適應需求的變化，需要能夠滿足不斷網(wǎng)絡流量不斷提高的光放大器，這需要光譜增益形狀可調(diào)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(diào)光譜形狀的光學放大器。已有技術(shù)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(shù)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(shù)，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(yōu)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(shù)，它們是否可用？”和“還有哪些有前景的制造技術(shù)尚未應用？”在本章中，將回顧討論一種有前途的制造技術(shù)-量子阱混合技術(shù)（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(jié)構(gòu)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(jié)合以形成以帶隙能量和晶格常數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。例如，當在晶片表面上蝕刻小脊時，實現(xiàn)了引導光穿過器件的波導結(jié)構(gòu)。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(chǎn)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(jié)構(gòu)?？赡艹霈F(xiàn)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(xiàn)這些結(jié)構(gòu)。下面將討論三種主要方法。

2.3再生長技術(shù)

再生長技術(shù)包括去除晶片的選定區(qū)域中的層，然后在上面生長不同的材料。新型結(jié)構(gòu)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(zhàn)可以用來實現(xiàn)集成光電子器件。1992年，Alferness等人展示了一種寬調(diào)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(qū)域增長（SAG）

選擇性區(qū)域生長是一種用于單片集成的技術(shù)，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(chuàng)建模式轉(zhuǎn)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(zhì)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(qū)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(chǎn)生成比例梯度層厚。如果在開口中生長量子阱（QW）結(jié)構(gòu)，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(xù)變化，從而產(chǎn)生增益特性的單調(diào)變化[17]。圖2.1顯示了Kashima等人用于生長QW寬帶LED結(jié)構(gòu)的SAG掩模的示意圖。還包括沿strip長度的光致發(fā)光測量結(jié)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(fā)光二極管（LED）

寬光譜是SAG技術(shù)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(fā)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(xiàn)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(fā)射發(fā)光二極管（ELED）的發(fā)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(qū)域組合在一起。在常規(guī)MQW區(qū)域以常規(guī)的速率生長，發(fā)光中心波長在1320 nm附近。在錐形區(qū)域，生長速率逐漸增加，發(fā)光中心波長范圍從1320nm到1400nm。在吸收區(qū)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(xiàn)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(fā)光測量結(jié)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(chǎn)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(wěn)定性，這些器件無法持續(xù)工作；增益只能用低占空比脈沖電流驅(qū)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(zhì)結(jié)構(gòu)的帶隙能量以不同程度的空間選擇性改變的技術(shù)[18]。與SAG不同，它通常在生長后執(zhí)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(jié)構(gòu)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(xù)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(shù)量和擴散長度有極好的控制，以實現(xiàn)精確、可重復的混合。QWI的兩種主要類型是雜質(zhì)誘導相互擴散（IID）和無雜質(zhì)空位擴散（IFVD）。利用IID，雜質(zhì)以高動能注入選定區(qū)域的表面，混合的程度和速率與雜質(zhì)的劑量以及RTA的溫度和持續(xù)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(shù)在RTA過程中重新修復，但殘余純度和結(jié)晶質(zhì)量會降低，導致吸收增加[20]。IFVD涉及空位擴散到QW結(jié)構(gòu)中。空位通常是從期望區(qū)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(zhì)[20]。本項目使用的QWI技術(shù)基于使用專有覆蓋層的IFVD技術(shù)。QWI方法已應用于光電子的許多領域，包括集成電光吸收調(diào)制器[22]和多波長激光結(jié)構(gòu)[23]的制造，激光發(fā)射波長的生長后微調(diào)[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(chuàng)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(fā)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(fā)射區(qū)域。混合后，有效能隙與每個區(qū)域中雜質(zhì)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(zhì)空位擴散的QWI工藝來改變多量子阱SOA結(jié)構(gòu)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(lián)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(diào)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(tǒng)中單節(jié)LED結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜[27]。利用PAID，用來自Nd:YAG激光器的連續(xù)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(shù)沿1.5毫米LED創(chuàng)建分級帶隙。觀察到260nm的發(fā)射帶寬；與沒有分級帶隙的相同LED結(jié)構(gòu)相比提高了2倍以上。McDougall的工x作代表了使用QWI增強發(fā)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(tǒng)中使用了不同的QWI技術(shù)。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(tài)控制。

2.6結(jié)論

在試圖回答“半導體中存在哪些控制帶寬的制造技術(shù)，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(shù)。與增加有源半導體器件中的光譜帶寬有關的大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)涉及選擇性區(qū)域生長（SAG）技術(shù)。關于“是否有任何有前途的制造技術(shù)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(shù)，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(shù)過去已經(jīng)應用于寬光譜LED中，但還沒有應用于寬光譜和可調(diào)光譜特性的多段器件結(jié)構(gòu)中。

[1] S. Kobayashi and T. Kimura, “Semiconductor optical amplifiers,” IEEE Spectrum, May 1984.

[2] Kamelian Limited, Oxfordshire United Kingdom, Optical Pre-Amplifier and Power Booster: Preliminary Specifications, March 2002.

[3] Genoa Corporation, Freemont CA, G110 and G212 Linear Optical Amplifier: Preluminary Specifications, 2002.

[4] M. Young, “Next generation networks may benefit from SOAs,” Laser Focus World, Sept. 2001.

[5] N.S. Patel, K. L. Hall, and K. A. Rauschenbach, “Interferometric all-optical switches for R. P. to T. ultrafast signal processing,” Appl. Opt., vol. 37, pp. 2831-2842, May 1998.

[6] J. R. Runser, D. Zhou, C. Coldwell, B. C. Wang, P. Toliver, K. Deng, I. Glesk, and P. R. Prucnal, “Inteferometric ultrasfast SOA-based optical switches: from devices applications,” Opt. Quant. Electron., vol. 33, pp. 841-874, 2001.

[7] T. Durhuus, B. Mikkelsen, C. Joergensen, S. L. Canielsen, and K. E. Stubkjaer, “All-optical wavelength conversion by semiconductor optical amplifiers,” IEEE J. Lightwave Technol., vol. 14, pp. 942-954, June 1996.

[8] L. Xu, B. C. Wang, V. Baby, I. Glesk, and P. R. Prucnal, “All-optical data format conversion between RZ and NRZ based on a mach-zender interferometric wavelength converter,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, pp. 308-310, Feb. 2003.

[9] Kamelian Limited, Oxfordshire United Kingdom, Semiconductor Optical Amplifiers in CWDM Systems: Applications Note No. 0004, January 2003.

[10] J. Hecht, “S-band amplification challenges developers,” Laser Focus World, pp. 79-84 July 2002.

[11] IPF Technology, Surrey United Kingdom, Product Data Sheet: Fibre Raman Amplifier, 2002.

[12] R. C. Alferness, U. Koren, L. L. Buhl, B. I. Miller, M. G. Young, T. L. Koch, G. Raybon, and C. A. Burrus, “Broadly tunable InGaAsP/InP laser based on vertical coupler filter with 57nm tuning range,” Appl. Phys. Lett., vol. 60, pp. 3209-3211, 1992.

[13] H.-S. Kim, D. K. Oh, M.-H. Park, N. Hwang, and [.-H. Choi, “1.55um spot-size converter integrated-laser diode fabrication by selective-area metalorganic vapor-phase epitaxy,” Micro. Opt. Techn. Let., vol. 25, pp. 300-302, June 2000.

[14] K. Djordjev, S.-J. Choi, W.-H. Choi, S.-J. Choi, I. Kim, and P. Dapkus, “Two-segment spectrally inhomogeneous traveling wave semiconductor optical amplifiers applied to spectral equalization,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, pp. 603-605, May 2002.

[15]G. Vermeire, L. Buydens, P. V. Daele, and P. Demeester, “Side-emitting GaAs/AlGaAs SQW LEDs showing wide spectrum using shadow masked growth,” Electron. Lett., vol. 28, pp. 903-905, May 1992

[16] Y. Kashima and T. Munakata, “Broad spectrum InGaAsP edge-emitting light emitting diode using selective-area metal-organic vapor phase epitaxy,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 10, pp. 1223-1225, September 1998.

[17] Demeester, L. Buydens, I. Moerman, D. Lootens, and P. V. Daele, “Non- planar MOVPE growth using a novel shadow-masking technique,” J. Cryst. Growth, vol. J. 107, pp. 161-165, 1991.

[18] J. Haysom, P. Piva, P. P. S. Raymond, H. Chen, R. M. Feenstra, S. Charbonneau, and I. V. Mitchell, “Furthering the understanding of quantum well intermixing in InP,” Semiconducting and Insulating Materials Conference Proceedings, pp. 197-204 Sept. 2000.

[19] J. Marsh, A primer on quantum well intermixing. Intense Photonics, High Blantyre Scotland, 2001.

[20] S. Yu and E. H. Li, “Semiconductor lasers using diffused quantum-well structures,” IEEE J. Select. Quantum Electron., vol. 4, pp. 723-735, Jul./Aug. 1998.

[21] D. A. Thompson, B. J. Robinson, G. J. Letal, and A. S. Lee, “A method for locally modifying the effective bandgap energy in indium gallium arsenide phosphide quantum well structures.” United States Patent Application 20020127752, May 2002.

[22] E. S. Koteles, S. Charbonnea, P. J. Poole, J. J. He, M. Kavies, M. Dion, G. Aers, Y. Feng, I. V. Mitchell, and R. D. Goldberg, “Photonic integration using quantum well shape modification,” Phys. in Canada, vol. 2402, pp. 251-255, Sept. /Oct. 1996.

[23] J. H. Teng, S. J. Chua, Y. H. Huang, G. Li, Z. H. Zhang, A. 8. Helmy, and J. H. Marsh, “Multi-wavelength lasers fabricated by an Al layer controlled quantum well intermixing technology,” J. Appl. Phys., vol. 88, pp. 3458-3462, Sept. 2000.

[24] P. J. Poole, M. Buchanan, G. C. Aers, Z. R. Wasilewski, M. Dion, M. Fallahi, J. J. He, S. Charbonneau, E. 8. Koteles, I. V. Mitchell, and R. D. Goldberg, “Transparent waveguides for WDM transmitter arrays using quantum well shape modification,” SPIE, Components for Wavelength Division Multiplexing, pp. 115-122, Sept. /Oct.1995.

[25] A. S. Helmy, D. C. Hutchings, T. C. Kleckner, J. H. Marsh, A. C. Bryce, J. Arnold, Stanley, J. S. Aitchison, C. Brown, K. Moutzouris, and M. Ebrahimzadeh, “Quasi phase matching in GaAs-AlAs superlattice waveguides through bandgap tuning by use of quantum-well intermixing,” Opt. Lett., vol. 25, pp. 1370-1372, Sept.2000.

[26] J. He, S. Charbonneau, P. Poole, G. Aers, Y. Feng, E. Koteles, R. Goldberg, and I. Mitchell, “Polarization insensitive InGaAs/InGaAsP/InP amplifiers using quantum well intermixing,” Appl. Phys. Lett., vol. 69, pp. 562-564, Jul. 1996.

[27] S. McDougall, M. J. Jubber, O. P. Kowalski, J. H. Marsh, and J. 5S. Aitchison, “GaAs/AlGaAs waveguide pin photodiodes with non-absorbing facets fabricated by quantum well intermixing,” Electron. Lett., vol. 36, pp. 749-750, April 2000.

[28] P. Poole, V. M. Davies, M. Dion, Y. Feng, S. Charbonneau, R. D. Goldberg, and I. V. Mitchell, “The fabrication of a broad-spectrum light emitting diode using high energy ion implantation,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, pp. 1145-1147, 1996.

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審核編輯 黃宇