本公開涉及半導(dǎo)體光放大器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大功率多電極串行半導(dǎo)體光放大器。

背景技術(shù)：

放大器是光纖通信系統(tǒng)中能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大的關(guān)鍵器件。隨著半導(dǎo)體激光器和傳輸光纖性能的不斷改善，美國于1975年在亞特蘭大進(jìn)行了光纖通信的現(xiàn)場試驗(yàn)；1976年相繼開通了紐約-芝加哥、紐約-波士頓的商用光纖通信系統(tǒng)。光纖的低損耗使光信號(hào)具有傳輸距離長、通信容量巨大、成本低和保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這使得光纖通信得到迅速發(fā)展。為了解決長距離光纖通信中的損耗問題，每隔數(shù)公里必須加一個(gè)“光-電-光”中繼站，其功能是將經(jīng)過光纖衰減的信號(hào)用光探測器接收變?yōu)殡娦盘?hào)，然后用電學(xué)的方法對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和再生，然后再調(diào)制到激光器上轉(zhuǎn)變成光信號(hào)繼續(xù)傳輸，很明顯這種中繼方式增加了大量的設(shè)備和場地的成本，而且這種中繼方式只能針對(duì)某一個(gè)特定的比特率和工作波長，對(duì)信號(hào)傳輸鏈路造成瓶頸。因此需要尋找新的思路實(shí)現(xiàn)高性能光放大。隨著光器件技術(shù)的發(fā)展，用光放大器取代“光-電-光”中繼方式，將經(jīng)光纖傳輸而衰減的光信號(hào)直接用光放大器放大的構(gòu)想應(yīng)運(yùn)而生。

通信、激光雷達(dá)和成像、高性能微波光子(mwp)連接和模擬信號(hào)處理器等方面需要大功率光放大器，是近幾年的國際研究熱點(diǎn)。在全光通信中光放大器是必不可少的器件，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展要求更加高速和大容量的通信網(wǎng)絡(luò)，這使得全光通信勢在必行，而其中光放大技術(shù)有著不可替代的地位。衛(wèi)星空間光通信中使用的大功率光放大器主要是摻鉺光纖放大器(edfa)，目前，已有報(bào)道1.55μm波長區(qū)的edfa能提供大于150w的功率，50w的edfas已經(jīng)商品化。盡管光纖放大器的具有較大的輸出功率，它們的尺寸和重量也比較大，由于光抽運(yùn)效率低、功耗大，所以其功率轉(zhuǎn)換效率低(一般＜10％)，更重要的是光纖放大器的抗輻照性能較差，導(dǎo)致其性能衰減比較快。一個(gè)衛(wèi)星艙每年所承受的輻照為8000千納德，而edfa在20千納德的輻照下功率就要衰減一半，且其壽命遠(yuǎn)達(dá)不到衛(wèi)星通信的15-20年，因此edfa很難滿足新體制的需求。

半導(dǎo)體光放大器有直接電注入產(chǎn)生增益、功耗低、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、波長靈活、增益帶寬大，以及易于與其它半導(dǎo)體器件(如激光器、探測器，調(diào)制器)集成等特點(diǎn)，更重要的是半導(dǎo)體光放大器(soas)還具有很強(qiáng)的抗輻照特性。為此與目前的edfa的性能作參照，取長補(bǔ)短地提高半導(dǎo)體光放大器的性能，特別是通過材料改性，結(jié)構(gòu)變化、降低與光纖的耦合損耗，提高飽和輸出功率、降低噪聲和偏振靈敏度，那么半導(dǎo)體光放大器在空間光通信中有希望替代光纖放大器。

半導(dǎo)體放大器有源區(qū)的體積、光限制因子和內(nèi)部損耗是決定其輸出功率的主要因素。早期的soas，也指半導(dǎo)體激光放大器(slas)，是端面鍍抗反射膜和波導(dǎo)傾斜壓制激射的簡單的激光結(jié)構(gòu)。在這些soas中，垂直方向和側(cè)向的光限制用分別限制結(jié)構(gòu)(sch)和刻蝕脊型波導(dǎo)來獲得。在傳統(tǒng)的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)單模工作，有源區(qū)材料的寬度通常被限制到2-3μm，光限制因子比較大，即使通過縮短腔長、減小限制因子和增益恢復(fù)時(shí)間，其輸出功率只有100mw左右。從半導(dǎo)體光放大器的理論上看，飽和輸出功率與有源區(qū)的寬度和高度成正比，與光限制因子成反比，因此，提高飽和輸出功率主要通過兩個(gè)途徑：增加有源區(qū)的面積和減小光限制因子。

盡管錐形寬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加了soas增益面積，實(shí)現(xiàn)了高功率，但受到與增益波導(dǎo)動(dòng)力學(xué)、模式競爭相關(guān)的光束不穩(wěn)定和所需的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)限制，光場很難有效地耦合到單模光纖中。典型的錐形soas與單模光纖的耦合效率只有50％。所以實(shí)際飽和輸出功率最大只有芯片的一半。由于通常錐形結(jié)構(gòu)的soas光限制因子和內(nèi)部損耗系數(shù)與脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)soas相似，因此，錐形soas無法通過降低內(nèi)部損耗和光限制因子來提高飽和輸出功率。并且由于大功率半導(dǎo)體光放大器飽和輸出功率高，工作電流大，局部產(chǎn)生熱功耗大，導(dǎo)致器件過早飽和甚至受損。

公開內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本公開提供了一種多電極串行半導(dǎo)體光放大器，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

本公開提供了一種多電極串行半導(dǎo)體光放大器，包括：襯底；n面電極，形成于襯底的第一表面；n型多層結(jié)構(gòu)，形成于襯底的第二表面，包括：n型下限制層，形成于襯底上；n型波導(dǎo)層，形成于n型下限制層上；有源層，形成于n型多層結(jié)構(gòu)上；p型多層結(jié)構(gòu)，形成于有源層上，包括：p型界面層，形成于有源層上；p型上限制層，形成于p型界面層上；p型歐姆接觸層，形成于p型p型上限制層上；p面電極，形成于p型多層結(jié)構(gòu)上，其包括：n個(gè)串行電極，用于使載流子從各個(gè)串行電極同時(shí)注入到有源區(qū)，其中，n≥2。

在本公開一些實(shí)施例中，n個(gè)串行電極設(shè)置在以電極接觸臺(tái)面為中心的兩側(cè)，均勻分布，載流子分別通過各個(gè)形狀相同的串行電極同時(shí)注入有源區(qū)。

在本公開一些實(shí)施例中，所述p面電極包括條形電極窗口、n個(gè)串行電極及二氧化硅材料，n個(gè)串行電極連接至條形電極窗口，所述條形電極窗口設(shè)置于p型歐姆接觸層上，串行電極設(shè)置于二氧化硅材料上。

在本公開一些實(shí)施例中，所述p面電極為鈦鉑金材料，對(duì)于所述p面電極采用先圖形掩埋版光刻，再帶膠剝離的方法制備。各個(gè)串行電極之間距離為5-10μm。

在本公開一些實(shí)施例中，所述的多電極串行半導(dǎo)體光放大器，還包括：雙溝結(jié)構(gòu)，由p型歐姆接觸層刻蝕至n型波導(dǎo)層內(nèi)，形成脊型兩側(cè)有側(cè)面溝道的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雙溝之間形成臺(tái)面，雙溝內(nèi)、側(cè)壁都填充絕緣介質(zhì)層。

在本公開一些實(shí)施例中，所述襯底采用n型inp襯底。

在本公開一些實(shí)施例中，所述有源層材料為ingaasp材料或algaasp材料。

在本公開一些實(shí)施例中，所述n型多層結(jié)構(gòu)，還包括：n型緩沖層，該n型緩沖層形成在形成于襯底和n型下限制層之間；所述p型多層結(jié)構(gòu)，還包括：p型過渡層，形成于p型上限制層與p型歐姆接觸層之間。

在本公開一些實(shí)施例中，n型緩沖層為在襯底上外延1μm的inp，摻雜濃度與襯底(10)相同；n型下限制層(22)的材料為inp材料，采用折射率漸變生長，折射率從2×10¹⁸至5×10¹⁶cm^-3，厚度1-1.5μm；n型波導(dǎo)層材料一般為低摻雜ingaasp材料，波導(dǎo)層厚度為4.5-5.5μm，折射率5×10¹⁶cm^-3；p型界面層材料為algaas或alinas材料，厚度為10^-25nm；p型上限制層材料為inp材料，采用折射率漸變生長，折射率為2-8×10¹⁸cm^-3，厚度1-1.5μm。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本公開的多電極串行半導(dǎo)體光放大器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通過頂部的多個(gè)串行電極，把大電流注入轉(zhuǎn)換成幾個(gè)電極同時(shí)分別注入，從而使載流子從各個(gè)電極同時(shí)注入到有源區(qū)，因此可以有效分配能量，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高轉(zhuǎn)換、大功率、低噪聲，能夠提高光電轉(zhuǎn)換效率，提高輸出功率；

(2)通過多電極串行的方式，解決了因局部發(fā)熱而引起的熱飽和問題，從而提高了飽和輸出功率和器件穩(wěn)定性，延長器件壽命；

(3)由于采用帶膠剝離技術(shù)制備多電極，因此制作工藝簡單，成本較低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和市場應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本公開實(shí)施例中器件材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本公開實(shí)施例中多電極串行大功率半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本公開實(shí)施例中p面電極分布俯視圖。

【附圖中本公開實(shí)施例主要元件符號(hào)說明】

10-襯底；

20-n型多層結(jié)構(gòu)

21-n型緩沖層；22-n型下限制層；

23-n型波導(dǎo)層；

30-有源層；

40-p型多層結(jié)構(gòu)

41-p型界面層；42-p型上限制層；

43-p型過渡層；44-p型歐姆接觸層；

50-p面電極

51-二氧化硅層；52-條形電極窗口；

53-串行電極；

60-n面電極；

70-絕緣介質(zhì)層。

具體實(shí)施方式

本公開提供了一種多電極串行半導(dǎo)體光放大器，采用多個(gè)透明電極，通過離子注入限制區(qū)的限制作用，使不同電極注入的載流子注入到面發(fā)射激光器有源區(qū)對(duì)應(yīng)的橫模模式處，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器不同橫模的分別調(diào)制。

為使本公開的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本公開進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本公開某些實(shí)施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實(shí)施例將被示出。實(shí)際上，本公開的各種實(shí)施例可以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于此數(shù)所闡述的實(shí)施例；相對(duì)地，提供這些實(shí)施例使得本公開滿足適用的法律要求。

圖1是本公開實(shí)施例中多電極串行大功率半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)示意圖。在本公開的第一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種多電極串行半導(dǎo)體光放大器，本實(shí)施例的器件材料包括：襯底10；n面電極60，形成于襯底10的第一表面；n型多層結(jié)構(gòu)20，形成于襯底10的第二表面；有源層30，形成于n型多層結(jié)構(gòu)上；p型多層結(jié)構(gòu)40，形成于有源層30上；p面電極50，形成于p型多層結(jié)構(gòu)40上，其包括：n個(gè)串行電極53，用于使載流子從各個(gè)串行電極同時(shí)注入到有源區(qū)，n≥2。

本公開采用多電極串行通過電流多點(diǎn)注入，可解決大功率半導(dǎo)體光放大器的散熱問題，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低功耗，降低噪聲，提高輸出功率，還可以提高器件穩(wěn)定性和壽命。

以下分別對(duì)本實(shí)施例的多電極串行大功率半導(dǎo)體光放大器各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1為本公開第一實(shí)施例中器件材料結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖1，對(duì)本實(shí)施例中襯底10、n型多層結(jié)構(gòu)20、有源層30及p型多層結(jié)構(gòu)40進(jìn)行說明。

襯底10，用于在其上生長放大器各外延層材料，通常采用(100)面的n型inp襯底。

n型多層結(jié)構(gòu)，包括：n型緩沖層21、n型下限制層22、n型波導(dǎo)層23。

本實(shí)施例中，n型緩沖層21形成在襯底10上，用于使襯底生長更好的外延材料，調(diào)整襯底摻雜，緩沖襯底產(chǎn)生的缺陷，減小外延層的應(yīng)力，提高外延的平整度，減小位錯(cuò)，提高外延質(zhì)量。n型緩沖層21為在襯底10上外延1μm左右的inp，摻雜濃度與襯底10相同。

本實(shí)施例中，n型下限制層22形成在n型緩沖層21上，用以限制光場橫模向緩沖層擴(kuò)散，減小光的損耗，同時(shí)也起到限制載流子擴(kuò)散的作用，減小漏電流，降低閾值，提高效率。n型下限制層22的材料一般為inp材料，例如n型摻雜的ingaasp材料，采用折射率漸變生長，折射率從2×10¹⁸至5×10¹⁶cm^-3，厚度1-1.5μm。

n型波導(dǎo)層23形成在n型下限制層22上，其作用是耦合有源區(qū)的單模光場，增加垂直方向的近場光斑尺寸，濾掉多模光場，提高光束質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)大的圓形對(duì)稱光斑，提高耦合效率，同時(shí)低摻雜可減少波導(dǎo)層對(duì)光的吸收損耗，另外厚波導(dǎo)層可降低光限制因子。n型波導(dǎo)層材料23一般為低摻雜ingaasp材料，波導(dǎo)層厚度為4.5-5.5μm，折射率5×10¹⁶cm^-3。

有源層30形成在n型波導(dǎo)層23上，有源層為多量子阱結(jié)構(gòu)，為非故意摻雜；用于提高足夠的增益，決定器件的波長。有源層材料為ingaasp材料或algaasp材料，由多個(gè)量子阱構(gòu)成，例如由3-5個(gè)量子阱構(gòu)成。

p型多層結(jié)構(gòu)，包括：p型界面層41、p型上限制層42、p型過渡層43和p型歐姆接觸層44。

p型界面層41形成在有源層30上，用以限制上層重?fù)诫s向有源區(qū)的擴(kuò)散。p型界面層41材料為algaas或alinas材料，厚度為10-25nm；

p型上限制層42形成在p型界面層41上，用于限制有源區(qū)的光場向外泄露，減小電子漏電流，減低閾值，提高效率。p型上限制層42材料為inp材料，采用折射率漸變生長，2-8×10¹⁸cm^-3厚度1-1.5μm；

p型過渡層43形成在p型上限制層42上，用于減小下面的上限制層與上面歐姆接觸層的應(yīng)力提高外延質(zhì)量；

p型歐姆接觸層44形成在p型過渡層43上，用于實(shí)現(xiàn)好的歐姆接觸，減小串聯(lián)電阻，提高器件轉(zhuǎn)換效率。p型歐姆接觸層44為了提高導(dǎo)電性，減小串聯(lián)電阻一般為重?fù)诫s。

本公開多電極串行半導(dǎo)體光放大器允許產(chǎn)生高階模，但通過自身特意的耦合波導(dǎo)性質(zhì)將高階模抑制，從而實(shí)現(xiàn)模式濾波，實(shí)現(xiàn)基橫模。本公開多電極串行半導(dǎo)體光放大器光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沒有p型波導(dǎo)層，有效減小了器件串聯(lián)電阻，提高了器件的轉(zhuǎn)換效率，特殊的耦合作作用將放大器的光場分布都耦合到下面厚的低摻雜的n型波導(dǎo)層中，波導(dǎo)層較厚，基橫模在垂直和平行方向上的光斑尺寸類似，光斑面積增加，即增加了增益介質(zhì)的面積，得到了大的對(duì)稱光學(xué)模式，從而飽和輸出功率高。由于本公開多電極串行半導(dǎo)體光放大器有源區(qū)量子阱的厚度小，波導(dǎo)層的特殊結(jié)構(gòu)，厚且折射率低，所以使得光場會(huì)泄露到下波導(dǎo)層中，因此限制因子小，飽和輸出功率與限制因子成反比，因此可實(shí)現(xiàn)大功率。

進(jìn)一步地，本公開多電極串行半導(dǎo)體光放大器輸出光模場與光纖模式匹配，可以直接耦合進(jìn)光纖。波導(dǎo)的折射率比有源區(qū)的低所以光場模式向折射率低的方向泄露，整個(gè)模式都在波導(dǎo)中形成圓形光場模式，可根據(jù)光纖輸出模式的尺寸，設(shè)計(jì)平板耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)輸出光斑一致。

圖2是本公開中多電極串行大功率半導(dǎo)體光放大器結(jié)構(gòu)圖。通過采用圖1的器件材料，用干法濕法結(jié)合的刻蝕方法，刻蝕出臺(tái)面寬5μm，深4-5μm，溝寬5μm的雙溝結(jié)構(gòu)，雙溝刻蝕至n型波導(dǎo)層23內(nèi)，形成脊型兩側(cè)有側(cè)面溝道的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雙溝之間形成臺(tái)面；在—整個(gè)芯片表面生長絕緣介質(zhì)層70，通常厚度1-2μm，包括雙溝內(nèi)、側(cè)壁都填充絕緣介質(zhì)層sio2，用于限制電流注入，防止泄露作用，從而減小閾值，提高效率；在臺(tái)面上開電極窗口，去掉臺(tái)面sio2，露出p型歐姆接觸層44；雙溝寬度5-10微米，雙溝內(nèi)填充絕緣介質(zhì)材料為二氧化硅或氮氧化硅。

本實(shí)施例的多電極串行半導(dǎo)體光放大器包括：p面電極50和n面電極60：

p面電極50形成在p型歐姆接觸層44上，為正電極，包含二氧化硅層51、條形電極窗口52及多個(gè)串行電極53，各個(gè)電極注入電流相同；p面電極50通常為鈦鉑金材料；

n面電極60形成在襯底10的下面，為負(fù)電極，通常為ni-au材料。

圖3是本公開中p面電極50分布俯視圖，p面電極50形成在雙溝結(jié)構(gòu)的臺(tái)面上，先使用圖形掩埋版光刻，采用帶膠剝離的方法制備，其中52為條形電極窗口，53為串行電極，共有10個(gè)，其位置在以電極接觸臺(tái)面為中心的兩側(cè)，均勻分布，串行電極形狀相同，載流子分別通過各個(gè)電極同時(shí)注入有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)熱能分散。如圖3所示，串行電極除了電極窗口下面為p型歐姆接觸層44外，其它地方下面為二氧化硅層51；各個(gè)串行電極之間距離5-10μm，確保各個(gè)電極之間相互斷開，而不發(fā)生干擾。

所述多電極串行半導(dǎo)體光放大器頂部的多個(gè)串行電極的結(jié)構(gòu)，其位置在以電極接觸臺(tái)面為中心的兩側(cè)，均勻分布，載流子分別通過各個(gè)電極同時(shí)注入有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)熱能分散。

相比于現(xiàn)有大功率半導(dǎo)體光放大器存在飽和輸出功率高，工作電流大，局部產(chǎn)生熱功耗大的問題，容易導(dǎo)致器件過早飽和甚至受損，本公開采用多電極串行通過電流多點(diǎn)注入，可解決大功率半導(dǎo)體光放大器的散熱問題，提高光電轉(zhuǎn)換效率，降低功耗，降低噪聲，提高輸出功率，還可以提高器件穩(wěn)定性和壽命。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本公開實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡單地更改或替換。

還需要說明的是，實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本公開的保護(hù)范圍。貫穿附圖，相同的元素由相同或相近的附圖標(biāo)記來表示。在可能導(dǎo)致對(duì)本公開的理解造成混淆時(shí)，將省略常規(guī)結(jié)構(gòu)或構(gòu)造。

并且圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實(shí)大小和比例，而僅示意本公開實(shí)施例的內(nèi)容。另外，在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對(duì)權(quán)利要求的限制。

除非有所知名為相反之意，本說明書及所附權(quán)利要求中的數(shù)值參數(shù)是近似值，能夠根據(jù)通過本公開的內(nèi)容所得的所需特性改變。具體而言，所有使用于說明書及權(quán)利要求中表示組成的含量、反應(yīng)條件等等的數(shù)字，應(yīng)理解為在所有情況中是受到「約」的用語所修飾。一般情況下，其表達(dá)的含義是指包含由特定數(shù)量在一些實(shí)施例中±10％的變化、在一些實(shí)施例中±5％的變化、在一些實(shí)施例中±1％的變化、在一些實(shí)施例中±0.5％的變化。

再者，單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。

類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡本公開并幫助理解各個(gè)公開方面中的一個(gè)或多個(gè)，在上面對(duì)本公開的示例性實(shí)施例的描述中，本公開的各個(gè)特征有時(shí)被一起分組到單個(gè)實(shí)施例、圖、或者對(duì)其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本公開要求比在每個(gè)權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如下面的權(quán)利要求書所反映的那樣，公開方面在于少于前面公開的單個(gè)實(shí)施例的所有特征。因此，遵循具體實(shí)施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實(shí)施方式，其中每個(gè)權(quán)利要求本身都作為本公開的單獨(dú)實(shí)施例。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本公開的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本公開的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本公開，凡在本公開的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。