2024年5月2日发(作者：)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.3
(22)申请日 2011.02.11
(71)申请人 华为技术有限公司
地址 518129 广东省深圳市龙岗区坂田华为总部办公楼
(72)发明人 迈克尔·罗伯逊 陈新 保罗·凯纳德
(74)专利代理机构 北京永新同创知识产权代理有限公司
代理人 钟胜光
(51)
H01S5/50
H01S5/343
(10)申请公布号 CN 103119810 A
(43)申请公布日 2013.05.22
权利要求说明书 说明书 幅图
(54)发明名称
半导体装置
(57)摘要
本发明提供一种装置，优选是具有
低偏振相关增益的光放大器。所述放大器
包括增益介质，所述增益介质包括多个邻
接的半导体层以提供光增益，其中所述邻
接的半导体层界定电子的一个或一个以上
量子阱，并且用于在增益介质中提供直接
电子-空穴跃迁以及间接电子-空穴跃迁两
者。导带中的第一量化电子能级以及价带
中的第一量化空穴能级位于第一层中。价
带中的另一第一量化空穴能级位于邻近的
第二层中。所述第一层中的所述第一量化
空穴能级为轻空穴状态或重空穴状态，并
且所述第二层中的所述另一第一量化空穴
能级的空穴状态与所述第一层中的所述第
一量化空穴能级不同。所述第二层优选包
括In
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种用于接收输入光及输出放大的光的光放大器，包括：
A）光波导，用于接收输入光以及输出放大的光；
B）增益介质，包括多个邻接的半导体层以提供光增益；
C）电极，用以输送电流通过所述增益介质；
其中，所述多个邻接的半导体层界定电子的一个或一个以上量子阱，
i）导带中的第一量化电子能级位于第一层中；
ii）价带中的第一量化空穴能级位于所述第一层中；
iii）所述价带中的另一第一量化空穴能级位于邻近的第二层中；并且所
其中，所述第一层中的所述第一量化空穴能级为轻空穴状态或重空穴
2.根据权利要求1所述的光放大器，其中所述第二层包括
述第二层的材料组合物与所述第一层不同；
并且用于在所述增益介质中提供直接电子-空穴跃迁以及间接电子-空穴跃
迁两者，由此；
状态，并且所述第二层中的所述另一第一量化空穴能级的空穴状态与所述
第一层中的所述第一量化空穴能级不同。
In1-x-yAlxGayAs（x>0，y>0）。
3.根据权利要求1或2所述的光放大器，其中所述增益介质针对第一
态
并且其中：
i）MC1与来自所述第一层的所述导带中的所述第一量化电子能级与所
匹配于；
ii）MC2与来自所述第二层的所述导带中的所述第一量化电子能级与所
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第
5.根据权利要求2到4中任一权利要求所述的光放大器装置，其中所
述第二层包括In1-x-yAlxGayAs
一层受到拉伸应变。
光偏振具有第一模态限制因子（MC1），并且针对第二光偏振具有第二模
限制因子（MC2）；
述第一层的所述价带中的所述第一量化空穴能级之间的跃迁的增益的积；
述第二层的所述价带中的所述另一第一量化空穴能级之间的跃迁的增益的
积，相差不超过20%。
（0<x<=0.4，0<y<0.6）。
6.根据权利要求2到5中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第
一层包括In1-x-yAlxGayAs（x=>0，
y>0）。
7.根据权利要求6所述的光放大器，其中所述第一层包括
In1-x-yAlxGayAs（0<=x<=0.4）
（0<y<0.6）。
8.根据权利要求2到7中任一权利要求所述的光放大器，从属于权利
9.根据权利要求2到7中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述增益
介质的宽度介于lμm到5μm之间，并包含lμm以及5μm。
二层受到的应变介于0.3%拉伸应变与0.3%压缩应变之间。
要求4，其中所述第一层受到的拉伸应变介于0.5%与2%之间并包含0.5%
以及2%。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述增益
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述增益
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第一
介质的厚度介于0.lμm到0.2μm之间，并包含0.lμm以及0.2μm。
介质的宽度介于lμm到2μm之间，并包含lμm以及2μm。
层的厚度介于2nm到15nm之间，并包含2nm
以及15nm。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第二
15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中所述第二
16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的光放大器，其中具有“n
层的厚度小于l0nm。
层的厚度介于2nm到15nm之间，并包含2nm以及15nm。
个”第一层以及“n±1个”第二层。
17.一种包括增益介质的装置；所述增益介质包括多个邻接的半导体层
其中，所述邻接的半导体层界定电子的一个或一个以上量子阱，并且
i）导带中的第一量化电子能级位于第一层中；
ii）价带中的第一量化空穴能级位于所述第一层中；
iii）所述价带中的另一第一量化空穴能级位于邻近的第二层中；并且所
其中，所述第一层中的所述第一量化空穴能级为轻空穴状态或重空穴
并且其中所述第二层优选包括In1-x-
yAlxGayAs（x>0，y>0）。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述第一层受到拉伸应变。
述第二层的材料组合物与所述第一层不同；
以提供光增益：
用于在所述增益介质中提供直接电子-空穴跃迁以及间接电子-空穴跃迁两
者，由此：
状态，并且所述第二层中的所述另一第一量化空穴能级的空穴状态与所述
第一层中的所述第一量化空穴能级不同；
19.根据权利要求17或18所述的装置，其中所述第二层包括
In1-x-yAlxGayAs（0<x<=0.4，
0<y<0.6）。
20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置或光放大器，其中所
述第一层中的一个或一个以上以及所述第二层中的一个或一个以上形成复
合量子阱，所述复合量子阱夹在其他势垒层之间；所述其他势垒层的
组合物与所述复合量子阱的所述第一层以及所述第二层不同。
材料
21.根据权利要求20所述的装置或光放大器，其中所述第三层包括
In1-x-yAlxGayAs（0<x<=0.48，
0<y<0.6）。
22.一种装置或光放大器，实质上如图6、图8、图9以及图10中所描
述及图示。
说 明 书
技术领域
本发明涉及半导体装置。明确地说，本发明涉及需要偏振无关性的光
背景技术
随着光沿着光纤传递，利用光纤作为数据传输介质的网络在实际应用
中面临光衰减的问题，例如，标准SMF-28TM单模光纤在
衰减为约0.2dB/km。因此，许多网络通常沿着光纤跨
子放大器。近来，网络使用光放大器，光放大器
不将输入流转换为电信号。在光网络中具有若干
范围主要由玻璃光纤的低损耗传输光谱区域确定。
波带，两种最常用的是O带（1260-1360nm，名
以及C带（1530-1565nm，名义上以1550nm为
电装置，例如，半导体光放大器（SOA）。
1550nm波长下的
距在中间点处并入电
按照光学方式放大光，而
操作波长范围，所述波长
这些范围标准化成若干
义上以1310nm为中心）
中心）。
常用于网络中的光纤通常是不保留最初输入所述光纤的光的偏振的类
光子网络中越来越多地使用半导体装置以提供全光功能性，这是因为
所述半导体装置尺寸小、成本低、可大量生产并且能够单片或混合地集成
到复杂的芯片设计中。用以放大光的常用半导体装置是半导体光放大器
（SOA）。SOA的结构通常与常规半导体激光二极管相似，因此，SOA包
光波导，用以接收输入光以及输出放大的光；增益介质，用以提供所
型，因此沿着一段光纤传播后进入放大器的光可具有随机偏振。因此需要
高光增益以及低偏振相关性的光放大器，这样，无论输入偏振是多少，所
述放大器均将输入光放大相同的量。
括：
述光
介质。
增益（通常称为有源区域）；以及电极，用以输送电流通过所述增益
所述SOA通常用以从所述装置的一个小面接收输入信号，放
号并且从同一装置小面（例如，反射SOA）或不同装
号。SOA也可用作光的ASE（放大自发辐射）
在光波导内。
入效率的那些
与图2所示类
大所述输入信
置小面输出放大的信
源。所述增益介质通常包含
有多种SOA增益介质/波导设计，然而，常用于获得高电流注
设计通常具有与图1所示类似的内埋异质结构（BH）波导或
似的脊形波导（RW）结构。
SOA设计中的关键参数是偏振相关增益（PDG）的最小值。因此，有
P.多绪尔（Doussiere）等人在1994年出版的IEEE光子技术快报第6
170-172页描述了一种光放大器，其中增益介质具有正方形截面。具有
为在BH以及RW两种设计中都实现高效电流注入，装置优选包括具
称截面的增益介质，其中截面宽度大于厚度。也需要这种截面非对
在于所述SOA波导的长度的大部分或全部中。
有非对
称性存
正方形截面的有源层的TE以及TM限制因子名义上相等，从而使得两种偏
振状态的增益相等。然而，具有正方形增益介质的装置的电流注入效率较
低，因此通常不适用作放大器。
卷第
必要对横电模（TE）以及横磁模（TM）的模态增益（G）进行平衡。任一
偏振模式的模态增益通常表示为G=g*Г，其中，g是材料增益，Г是偏振
状态下的模式的限制因子。所述限制因子是光模式在增益介质中传播的比
例。所述PDG是G(TE)与G(TM)之间的差。SOA设计中的其他关键参数包
含低噪声以及操作时的宽光谱带宽。同样重要的是，用以制造装置使其具
有例如低PDG的上述效果的生长条件以及其他处理参数可易于控制以及重
复，这样可易于获得较好的装置产量。
对于宽且薄的非对称截面的增益介质而言，TE模式的限制因子实质上
大于TM模式的限制因子，因此TE模式的增益名义上高于TM模式。限制
因子的精确值是通过波导几何形状以及所用的层的材料折射率来确定的
（通常使用数值计算软件）。因此，只使用波导几何形状是不可能获得低
的高效半导体装置。 PDG
之前曾若干次尝试为TE以及TM模式提供不同的材料增益，以补偿由
增益介质的截面非对称性产生的PDG。J.Y.艾玛瑞（Emery）等人在1996
年出版的ECOC第3卷第165-168页以及专利文件US6487007B1中描述了
一种对SOA中TE以及TM增益进行均衡的方法。两份文件都使用了包括
单一材料层的有源区域。这种包括单一材料厚层的有源区域称为“体”有
源。这些文件在体有源区域中使用拉伸应变以获得低PDG。使用“体”有
源的装置通常效率低，光损耗高，并且需要高注
入电流。
基于量子阱的装置
相比于体有源层，装置可包括具有一个或一个以上层的有源区域（其
通常，基于量子阱的装置包括任一侧由不同材料限定的第一材料层，
其中所述第一材料与不同的限定材料之间的导带边缘能级以及价带边缘能
级的差针对增益介质中电子或空穴任一者形成量子阱。装置通常包括通过
交替不同材料层而形成的一个或一个以上（多）量子阱（MQW）。位于充
当量子阱的层之间的层通常称为势垒层。MQW结构通常包括与第二材料毗
中典型厚度大约＜15nm），所述有源区域充当量子阱（QW），所述量子阱
在由其他材料层围绕时将电子以及空穴限制在那层。已发现基于QW的装
置相比体有源层可提供更高性能。使用量子阱所产生的改进通常表现为较
高材料增益、较高效率、较低损耗以及较低注入电流。
连的第一材料的交替层，这样势垒材料层设置在两个量子阱之间并与两个
量子阱毗连。势垒材料也可存在于MQW堆叠的末端。
所述阱以及周围势垒层的带边缘能级之间的能量差越大，空穴或电子
如图3以及图4所示，轻空穴或重空穴在量子阱中占据的能级是特定
带边缘能级以下的离散量化值，而阱中电子的能级是电子的带边缘
上的离散量化值。对于一阶近似，g(TE)主要来自电子-重空穴跃迁，
g(TM)主要来自电子-轻空穴跃迁。对于本申请案而言，重空穴、轻空穴
以及电子的波函数应分别称为HH波函数、LH波函数以及E波函数。E/HH
跃迁或E/LH跃迁对材料增益的贡献分别通过E/HH波函数以及E/LH波函
数的重叠来确定。波函数的重叠越多，那个跃迁对增益的贡献越大。术语
“重”空穴以及“轻”空穴已为所属领域技术人员所知且描述于例如1995
年由纽约的威利出版社出版的庄顺廉（Shun Lien Chuang）的“光电装置物
理学”的出版物中。由于轻空穴以及重空穴在布里渊（Brillouin）区中的相
应位置不同，所以重空穴的有效质量大于轻空穴，并且根据不同角动量状
态集来表示。然而严格来说，重空穴以及轻空穴状态为混合状态，远离波
矢量、k空间的区域中心时尤其这样，由此，通
迁所产生的增益系数进行数值计算。
空穴的
能级以
而
的限制越强。这种限制强度的一种量度称为“偏移分裂比”，是电子的阱/
势垒层导带边缘之间的能量差对空穴的阱/势垒层价带边缘之间的能量差的
比。
常对轻空穴以及重空穴的跃
直接带隙跃迁以及间接带隙跃迁
之前，现有技术QW以及体装置的带结构集中在直接带隙跃迁（或称
为Ⅰ型）。当导带中的最小量化电子能级以及价带中的最大量化空穴能级间
的跃迁不需要动量的改变时，发生直接带隙跃迁。术语“最小量化电
级”指最接近导带边缘（或第一电子级）的量化电子能级，且“最大量
空穴能级”指最接近价带边缘（或第一空穴级）的量化空穴能级。在
增益介质中，这使得导带中的最小量化电子能级以及价带中的最大量
穴能级在空间上位于同一材料中。图3图示为装置的带结构（空穴带
及电子带21）的实例，其中，所述直接带隙跃迁发生在第一重/轻空
与第一电子级22之间的阱25中。所述阱与势垒层26毗连。
子能
化
MQW
化空
23以
穴级24
替代性MQW带结构是间接（Ⅱ型）带结构，在所述结构中，导带中
相比于Ⅰ型（直接带隙）MQW结构，通常认为Ⅱ型MQW向激光器或
SOA提供不利的增益介质，这是因为电子以及空穴之间的波函数重叠较低。
图5图示为具有厚势垒40的Ⅱ型MQW带结构（电子带33以及空穴
的第一电子波函数38以及第一空穴波函数36。由于电子波函
是第一电子级34）限制于单个阱39，波函数的重叠较低，而
波函数36（因而是第一空穴能级37）限制在势垒40中。J.B.
等人在2002年出版的IEEE光子技术快报第14卷第
出使用基于Sb的无应变Ⅱ型MQW SOA以减少
长。然而，并未尝试表明此类结构可获得
如何使用所述设计以实现大多数SOA应
的最小量化电子能级以及价带中的最大量化空穴能级之间的跃迁需要动量
的改变。在MQW增益介质中，如图4所示，Ⅱ型带结构（电子带27以及
空穴带29）在一种材料（例如，阱层31）中具有导带中的最小（第一电子
级）量化电子能级28，而价带中的最大量化空穴能级（第一空穴级）30是
位于另一种材料（例如，势垒层32）中。
带35）
数38（因而
LH以及HH
霍尔金（Khurgin）
278-280页在理论上提
串音，这是因为载体寿命延
有利增益水平，并且未给出关于
用所需的低PDG的提示。
R.Q.杨（Yang）等人于2002年出版的IEEE J.量子电子学报第38卷
559-568页显示，在3μm到5μm的较长中红外波长带上，有可能在基
第
于InAs-InGaSb的Ⅱ型MQW中使用带间隧穿以实现半
用于半导体激光器的MQW设计不需要提供低
计对低PDG的影响。
导体激光器。然而，
PDG，并且，未揭示此类设
基于直接带隙跃迁的MQW装置
间接带隙带结构的不稳定性导致现有技术装置通常使用基于Ⅰ型的带
当不同的半导体层生长于彼此之上时，不同的材料组合物可在沉积层
可通过改变沉积层的组合物而引入不同量的应变。引入应变产生的影
响是中断LH以及HH价带边缘能级的退化。通过改变层的组合物而改变应
与生长了所述增益介质的下层厚基底之间产生晶格常数失配。当沉积层与
基底层之间的晶格常数不匹配时，所述沉积层受到拉伸应变或压缩应变。
对于无应变层而言，轻空穴以及重空穴的价带边缘退化，然而当向所述层
施加应变时，所述轻空穴以及所述重空穴的价带边缘分裂并远离彼此而移
动。随着轻空穴以及重空穴的价带边缘发生改变，相应空穴的相应限制也
发生改变。因此，在某些情况下，E-HH跃迁有可能为Ⅱ型，并且E-LH跃
迁有可能为Ⅰ型。
结构，由此，重空穴跃迁以及轻空穴跃迁两者都是直接带隙。可生长MQW
增益结构，使得所述结构相对于生长了所述装置的基底受到应变。在原则
上，任何半导体层可生长于另一个半导体层上，然而为了使晶体结构在所
述层中持续，晶格常数必须充分匹配。实际上，这难以在具有完全不同的
构成元件的半导体层上实现，因此，实际上通常使装置作为材料“系统”
生长，由此，QW、势垒以及其他材料层中的大部分构成元件是相同的，但
是以不同摩尔分数形成。
在
变的量以及类型（拉伸应变或压缩应变），这会改变轻空穴及重空穴的量化
能级以及LH及HH的限制，从而导致波函数的重叠发生改变。因此，
QW结构中引入应变使TE以及TM偏振状态的相对增益水平发生改
而，引入量不断增加的应变会在层中持续引入不良缺陷，会改
会改变轻空穴跃迁以及重空穴跃迁的操作的中心波长峰值。
变。然
变带隙，还
已报告使用应变MQW以实现低PDG SOA的数种方法。K.马加里
（Magari）等人在1990年出版的IEEE光子技术快报第2卷第556-558页报
告了一种使用MQW作为增益介质的方法，其中势垒受到拉伸应变且阱无
应变。K.马加里等人使用一种增益介质，其包括
层以及11.5nm厚的受到-1.7%（拉伸）应变的势
在200mA的注入电流下，其PDG为1.0dB，光
10.5nm厚的无应变量子阱
垒层。SOA长为660μm，
纤间增益为13.0dB。
M.A.纽科克（Newkirk）等人在1993年出版的IEEE光子技术快报第
406-408页报告了一种替代性方法。纽科克使用了一种增益介质，其
到1.0%（压缩）应变的三个3.5nm厚的压缩阱，受到-1.0%（拉伸）
三个16nm厚的拉伸应变阱，以及七个10nm厚的无应变势垒。SOA
625μm，在150mA的注入电流下，其PDG低于1.0dB，光纤间增益
4.4dB。
D.锡戈涅（Sigogne）等人在1995年出版的ECOC第267-270页以及
年出版的电子快报第32卷第1403-1405页报告的另一方法使用了十六
4卷第
包括受
应变的
长为
为
1996
个8nm厚的1.1%（压缩）应变阱以及十六个7nm厚的-0.9%（拉伸）应变
势垒作为增益介质。SOA长为940μm，在150mA的注入电流下，其PDG
低于1.0dB，光纤间增益为23.0dB。
上述使用了Ⅰ型带结构的现有技术文件中用于阱以及势垒的材料通常
使用直接带隙In1-x-yAlxGayAs量子阱的用于
O带操作的装置
现有技术中已描述在1310nm波长范围下操作的的装置，所述装置包 括使用
以InGaAs或InGaAsP的组合物为基础，所述InGaAs或InGaAsP生长于InP
基底上，并且在1.55μm的波长下操作。
生长于InP基底上的In1-x-yAlxGayAs的组合
物的增益介质。一份描述
技术文件由M.雅马达
一种在1310nm波长范围内操作的激光器的现有
（Yamada）等人在1999年出版的IEEE光子技
进行描述。包括In1-x-术快报第11卷第164-167页
yAlxGayAs的增益介质的带隙极大取决于Al摩尔分
数。
因此，
在实践中难以外延生长具有需要低Al摩尔分数的带隙的增益介质。
使用In1-x-yAlxGayAs量
是因为在这个波长范
～15%，因而使得生
IEEE J.量子电子学
范围内操作的激光器
中奇异地偏振，因此
子阱的现有技术集中在接近1310nm带的光波长，这
围内，材料中的Al含量可针对无应变层保持高于
长可易于控制。C.扎赫（Zah）等人在1994年出版的
第30卷第511-522页描述了在以1310nm为中心的波长
的另一个实例。然而，激光器设计成在TE或TM模式
设计成在一种偏振中具有高增益且在正交偏振中具有
低增益。
P.古纳斯（Koonath）等人在2001年出版的IEEE光子技术快报第13
779-781页描述了1310nm波长的低PDG SOA。在古纳斯的方法中，
3个量子阱层引入0.33%拉伸应变同时使势垒层无应变来实现低
卷第
通过向
PDG。
为制造在例如常用的1550nm范围（C带）的较长波长下操作的装置，
需要极大减少In1-x-yAlxGayAs MQW
常为约5%。在这些情况下，由于
因此难以生长可充分控制Al摩尔
PDG装置所需的控制水平，所述
中Al的量，使得摩尔分数“x”的值通
材料带隙变得对Al摩尔分数非常敏感，
分数的InGaAlAs来确保重复地获得低
装置使用标准Ⅰ型带结构。
尽管在1310nm范围内操作的现有技术的In1-x-
yAlxGayAs激光器以及
到改进，但是重复地制造低PDG的SOA仍然存在问题，
SOA的温度性能得
这是因为引入
隙。此外，在
制造上进行控
应变以改变重空穴及轻空穴限制的同时也改变了量子阱的带
例如约1550nm的较长波长范围下，，Al摩尔分数变得难以在
制。
发明内容
本发明如所附权利要求书中所阐述来进行描述。
本发明提供一种用以接收输入光及输出放大的光的光放大器，所述光
放大器包括：光波导，用以接收输入光以及输出放大的光；增益介质，包
括多个邻接的半导体层以提供光增益：电极，用以输送电流经过所述增益
介质；其中邻接的半导体层界定电子的一个或一个以上量子阱，并且用于
在增益介质中提供直接电子-空穴跃迁以及间接电子-空穴跃迁两者，由此；
导带中的第一量化电子能级位于第一层中；价带中的第一量化空穴能级位
于所述第一层中；价带中的另一第一量化空穴能级位于邻近的第二层中；
所述第二层的材料组合物与所述第一层不同；其中所述第一层中的所述第
一量化空穴能级为轻空穴状态或重空穴状态，并且所述第二层中的所述另
一第一量化空穴能级的空穴状态与所述第一层中的所述第一量化空穴能级
不同。
这种光放大器也可用作超发光二极管（SLD），由此，所述装置所产生
光放大器可经配置以使得所述增益介质针对第一光偏振具有第一模态
并输出的ASE光用作光源。
限制因子（MC1）且针对第二光偏振具有第二模态限制因子（MC2）；其
MC1与来自所述第一层中的所述导带中的所述第一量化电子能级与
带中的所述第一量化空穴能级之间的跃迁的增益的积；匹配于
所述导带中的所述第一量化电子能级与所述第二层的所述价带
一第一量化空穴能级之间的跃迁的增益的积，相差不超过
中：
所述价
MC2与来自
中的所述另
20%。
所述第二层可包括In1-x-yAlxGayAs。
在另一方面中，本发明还提供一种包括增益介质的装置；所述增益介
质包括多个邻接的半导体层以提供光增益：其中，邻接的半导体层界定电
子的一个或一个以上量子阱，并且用于在所述增益介质中提供直接电子-空
穴跃迁以及间接电子-空穴跃迁两者，由此：导带中的第一量化电子能级位
于第一层中；价带中的第一量化空穴能级位于所述第一层中；价带中的另
一第一量化空穴能级位于邻近的第二层中；所述第二层的材料组合物与所
述第一层不同；其中所述第一层中的所述第一量化空穴能级为轻空穴状态
或重空穴状态，并且所述第二层中的所述另一第一量化空穴能级的空穴状
态与所述第一层中的所述第一量化空穴能级不同；并且其中所述第二层包
括In1-x-yAlxGayAs（x>0，
y>0）。
附图说明
图1所示为内埋异质结构波导装置的截面图。
图2所示为脊形波导装置的截面图。
图3所示为Ⅰ型多量子阱的带结构。
图4所示为Ⅱ型多量子阱的带结构。
图5所示为具有厚势垒的Ⅱ型MQW带结构。
图6所示为本发明的混合Ⅰ型、Ⅱ型带结构。
图7所示为本发明的装置中具有减小的势垒厚度的带结构。
图8所示为本发明的优选实例的带结构。
图9所示为根据本发明的另一个优选实例的复合量子阱的带结构。
图10所示为由其他势垒层分离的图9的三个复合量子阱。
具体实施方式
本发明通过控制半导体增益介质（也称为“有源区域/有源介质”或光
构）内的层的厚度以及/或数量，来解决对装置中TE以及TM增益
耗）进行控制的问题。所述增益介质的宽度优选介于1μm与5μm之
包含1μm以及5μm。所述增益介质的宽度优选介于1μm与2μm
并包含1μm以及2μm。所述增益介质的厚度优选介于0.1μm与0.2
间，并包含0.1μm以及0.2μm，然而也可以使用其他增益介质截面
增益结
（或损
间，并
之间，
μm之
几何形
状。
本发明的装置可包括如图1所示的内埋异质结构波导结构，其包括：
面，所述台面包括覆盖增益介质10以及n型层（通常包括InP）11
封盖层（通常包括InP）9；位于所述台面之下的n型包层6以及n
（通常包括InP）7；设置在所述台面任一侧的一个或一个以上n型
（通常包括InP）4以及p型阻断层（通常包括InP）5；覆盖所述台
所述阻断层的p型层（通常包括InP）3；紧靠在层3之上的接触层2；
另外，所述装置包括如图2所示的脊形波导结构，其包括：n型基底（通
以上所述两个结构仅仅是形成本发明的装置的方式的优选实例。也可
本发明的一个实例提供一种光放大器，所述光放大器包括：光波导，
以使用其他合适的结构。
垂直台
的p型
型基底
阻断层
面以及
沉积在接触层2之上的上部电极1以及沉积在基底7之下的下部电极8。
常包括InP）18；位于基底18上的增益介质17；紧靠在增益介质17之上的
p型包层16；位于包层16之上、经图案化并蚀刻以形成垂直台面的p型层
14，所述台面的每一侧由氮化硅层15、20围绕在周围；位于p型层14之
上的接触层13；覆盖接触层13的上部电极12以及位于基底18之下的下部
电极19。
用以接收输入光并输出放大的光；增益介质，包括多个邻接的半导体层以
提供光增益；以及电极1，用以输送电流通过所述增益介质。所述邻接的半
导体层界定电子的一个或一个以上量子阱。导带中的第一量化电子能级以
及价带中的第一量化空穴能级位于第一层（第一半导体材料层）中。价带
中的另一第一量化空穴能级位于邻近的第二层（第二半导体材料层）中。
所述第二层的材料组合物与所述第一层不同。
所述增益介质可以是所述波导的一部分/与所述波导一体，或独立于所
述波导。所述第一层中的所述第一量化空穴能级以及所述第二层中的所述
另一第一量化空穴能级各指最大重空穴能级或最大轻空穴能级（或称为第
一重空穴级以及第一轻空穴级）之一。实际上，量子阱中电子的最小能级
（或基态）是最接近带边缘的能级，并且最接近量子阱中空穴的价带的能级
也是空穴的最小能级（或基态）。然而，在本文件中，为使文本内容
式易于理解，用电子最小能级指量子阱中电子的最低能态或基
最大能级指最接近价带边缘的空穴状态或基态；即，在图式中，
总是表示为向上（对于电子以及空穴两者均是这样）。
根据图
态，用空穴
能量增加
所述装置在原则上可以是包括适用于提供光增益的介质的任何光放大
个
器，所述介质包括两种或两种以上不同类型的半导体材料。所述装置优选
为半导体光放大器。SOA优选在所述装置的长度的末端包括至少一个、优
选两个涂有抗反射层的小面，所述波导在所述小面处输出光。所述末端小
面在所述装置的平面内形成角度，优选介于7°与10°之间，这样，所述
末端小面的任何光反射不会沿着所述波导传播回去（所述波导形成角度并
不是必要的特征，但这有助于减少残余反射）。对于本申请案来说，术语材
料“层”涉及任何截面几何形状，但优选是基于矩形的截面，其中，一
主要尺寸大于另一个主要尺寸。通常，所述装置生长于基底晶片上，
所述“层”的宽度平行于所述晶片的平面；宽度大于厚度。在原
用任何已知的半导体制造方法来制造所述装置，优选采用金属
延（MOVPE）。
由此，
则上可采
有机气相外
形成MQW堆叠的第一层以及第二层是以机械方式耦合的量子，并且
优选互相接触并毗连，然而在原则上，可在第一层与第二层之间插入一个
或一个以上其他不同层。所述增益介质可包括除所述第一层以及所述第二
层之外的其他材料层。本发明优选包括两个或两个以上第一层及/或两个或
两个以上第二层。所述第一层以及所述第二层优选形成MQW堆叠，由此，
两个或两个以上一种类型的层交替地将一个或一个以上另一种类型的
在中间。所述第一层以及所述第二层可为任何厚度，但优选包括介于
与15nm之间的厚度。所述增益介质通常在顶部以及底部与一个或一
上独立限制异质结构（SCH）层毗连，所
保在所述增益介质上形成p-n结。
层夹
2nm
个以
述独立限制异质结构（SCH）层确
所述第一量化空穴能级以及所述另一第一量化空穴能级在相应第一层
因此，相比于对于重空穴以及轻空穴两者均具有Ⅰ型跃迁、或对于重
空穴以及轻空穴两者均具有Ⅱ型跃迁的现有技术的装置，本发明提供一种
具有增益介质的光放大器，其提供直接跃迁以及间接跃迁两者。当重空穴
以及轻空穴两者均是Ⅰ型跃迁或Ⅱ型跃迁时，改变相对的HH以及LH波函
数限制所需的应变可：a）不合需要地改变每次跃迁的峰值波长，使其远离
装置的最佳操作值；以及/或b）过高，这样，制造所述装置时会出现材料
缺陷，这会损害装置性能。材料层中的大量应变使得所述层在生长时变得
不稳定，并松弛而形成大量错位，所述错位将造成过量非辐射复合中心的
形成。此类非辐射复合中心将使得所述材料不适于产生足够的自发发射以
以及第二层中的空间分离通常通过向所述层中的一个或一个以上引入应变
并适当地选择带隙来完成。通过向充当电子量子阱的层施加适量应变，重
空穴以及轻空穴价带边缘能级移开，这样，第一材料层中一种类型的空穴
的价带边缘能级高于第二材料层中同种类型的空穴的价带边缘能级，而第
一材料层中另一种类型的空穴的价带边缘能级低于第二材料层中同种类型
的空穴的价带边缘能级。因为每个空穴的最大价带边缘能级存在于不同的
层中，所以第一层成为一种类型的空穴的量子阱，而第二层成为另一种类
型的空穴的量子阱。
实现例如SOA或半导体激光器的装置。
通过在增益介质中具有一种作为Ⅰ型（直接带隙）跃迁的电子-空穴跃
因为LH以及HH波函数峰值基于在空间上分离的最小价带边缘而在空
间上互相偏移，所以第一层以及第二层的相对厚度的改变会改变HH以及
LH波函数的相对限制。HH-E波函数的重叠
于LH-E波函数（提供TM增益）的方式
方式，以控制HH以及LH波函数
对TE以及TM增益进行平
应变值。额外的
值的适当带隙。
迁以及另一种作为Ⅱ型（间接带隙）跃迁的电子-空穴跃迁，所述增益介质
中的轻空穴以及重空穴的波函数峰值在空间上在层厚度上（垂直于晶片层
的平面）发生偏移。可通过改变第一层以及第二层中每层厚度的比率，来
改变E-HH跃迁对E-LH跃迁的相对量（因此改变TE增益以及TM增益的
相对量）。也可通过相对于第二层来改变第一层的数量，来改变电子跃迁的
相对量。
（提供TE增益）又会以不同
改变。因此，本发明提供另外一种
与E波函数的重叠，进而提供一种机制以
衡，而不必需要所述层中具有不合需要或不利的
TE/TM增益控制为装置制造商提供更多自由来选择低应变
在本发明的前述实例之后，并参考本发明的前述实例，本发明的发明
在此布置中：第一材料层成为电子以及轻空穴的量子阱，并且第二材
料层成为电子以及轻空穴的势垒；而第二材料层成为重空穴的量子阱，并
人更发现，如果第一材料层中的导带边缘能级低于第二材料层中的导带边
缘能级，并且第一材料层具有拉伸应变，那么，轻空穴可以是限制于第一
材料层的量子，而重空穴是限制于第二材料层的量子，这样，E/HH跃迁是
间接跃迁，E/LH跃迁是直接跃迁。
且第一材料层成为重空穴的势垒。在此布置中，一个或一个以上第一材料
层优选交替地夹在一个或一个以上第二材料层之间，并与其毗连。一个或
一个以上额外第二材料层可与最外部第一材料层的外侧毗连，使得第“n”
个第一层可由第n+1个第二层、第n个第二层或第n-1个第二层限定。
有两个
以及轻
有2个
贡献的
个对
作为实例，图6所示为根据本发明的装置的带结构的示意图。此图中
第一材料层，所述层限制电子（电子带边缘41以及第一电子级42）
空穴（轻空穴带边缘43以及第一轻空穴级46）。在此图示结构中，
对TM增益作出贡献的轻空穴“阱”，以及仅仅一个对TE增益作出
重空穴“阱”。然而，通过在结构中引入另外两个第二层，将会有n+1
TE材料增益作出贡献的重空穴“阱”。
实际上，需要增益介质只支持最低TE以及TM模式，通常称为TE0
TM0。因此，增益介质的总宽度以及总厚度的调整范围很小。所以，
如果HH波函数主要位于一个或一个以上第二层中，那么E-HH波函数
以及
在增益介质的设计上尽可能获得更多的自由是很有利的。因为在本发明中
可改变每一层的数量以及厚度，所以所述结构的设计者有相当大的自由来
选择最佳的层厚度以及数量，这样，材料层组合物可根据合适的带隙以及
最少量的应变来进行调整，以使重空穴为间接跃迁而轻空穴为直接跃迁。
的重叠会很小，这是因为E波函数38在第二层中的存
为增加小的E-HH波函数的重叠，所述层之间需
过减小第二层中的一个或多个的厚度来实
7图示为带结构（电子带51、重空穴带
重空穴能级55的势垒58）对增益
函数54有影响。具有第一（最小）
在有限（参看图5）。
要较强的量子耦合。这可通
现，通常减小至厚度＜10nm。图
53），其中较薄的第二层（具有第一
介质中电子波函数56以及第一轻空穴波
电子能级52的第一层（阱57）成为在 机械上强力耦合的量子，这样，E
58）中。因此，E波函数56与HH
益。
波函数56可进一步穿透到第二层（势垒
波函数54进一步重叠，从而提高TE增
在本发明的前述实例中的任一个之后，并参考本发明的前述实例中的
任一个，本发明的发明人更发现，当第一材料层拉伸应变并充当电子以及
轻空穴的量子阱且第二材料层包括In1-x-
yAlxGayAs（x>0，y>0）时，第一层
伸
于
以及第二层之间的带偏移分裂比为约70/30。此分裂比需要使电子所受的限
制名义上大于空穴所受的限制。第二材料层可以为无应变（0%应变）、拉
应变或压缩应变。第一材料层中的一个或一个以上的拉伸应变优选介
0.5%与2.0%之间。第二材料层中的一个或一个以上的应变优选介于
拉伸应变与0.3%的压缩应变之间。第二材料层优选包括
x<=0.48，
0.3%的
In1-x-yAlxGayAs（0<
0<y<0.6）。第二材料层优选包括In1-x-
yAlxGayAs（0<x<=0.4）
（0<y<0.6）。
由于电子的有效质量较小，电子相比空穴并未良好地限制在量子阱中。
在量子阱每侧有大的势垒时，电子的限制越大，电子以及空穴波函数的重
叠越高，这导致辐射（发光）复合效率得以改进，尤其是当装置在高温下
运行时。因此需要具有有利于导带的偏移分裂比（例如，70/30的分裂比相
比60/40的偏移分裂比将进一步限制电子）。第一层以及第二层优选包括
In1-x-yAlxGayAs，这样，增益结构包
括In1-x-yAlxGayAs“系统”，然而在原则
上，第一层可采用任何其他材料，只要所述材料可随第二层成功地生长并
且可提供所需的带隙以及偏移分裂比。第一材料层可包括In1-x-
中x=>0，y>0）。第yAlxGayAs（其
一材料层优选包括In1-x-yAlxGayAs
（0<x<=0.48，0<y< 0.6）。第一材料层优选包括In1-x-
yAlxGayAs（0<=x<=0.4）（0<y<0.6）。
通 常用于In1-x-yAlxGayAs“系统”
的基底是InP。
如果第二层包括In1-x-yAlxGayAs（x>0，
y>0），那么所述装置可不限于
介质的任何装置。
因此，使用In1-x-yAlxGayAs“系统”的本发明
的装置相比于使用偏移分 裂比～40/60的In1-
光放大器，而是原则上可以是包括光增益
xGaxAsyP1-y系统的等效装置可提供较
高效率以及温度无关
使用In1-x-yAlxGayAs“系统”的本发明的装置
相比In1-xGaxAs系统可提 供较好柔性，并且实
性。
现较低的层应变，在In1-xGaxAs系统中第一以及第二材
料两者包括In1-xGaxAs的不同组合物。In1-
接相关，这是因为镓
因此，In1-
xGaxAs系统中的应变以及带隙直
（Ga）含量的改变自动改变铟（In）含量以及应变。
xGaxAs系统中层的应变由此层所需的带隙指定。然而，使用
In1-x-yAlxGayAs“系统”的本发明的装
种值的层，这是因为可改变Al以
层应变，即，有额外自由度。
置针对所选的层带隙具有层应变的各
及Ga两者的含量以提供所需的带隙以及
因此，使用In1-x-yAlxGayAs“系统”的本发明
的装置提供合适的较高电
制造一种在第一层中具有
70/30，第一层以及第二层
限制）相比例如
子限制与应变以及带隙的去耦的组合，这样，可
低应变值的高效率装置。此外，由于分裂比为约
的名义上无应变的价带边缘间的能级差（因而是
In1-x-yGaxAsyP系
统的系统较小，所述In1-x-yGaxAsyP系统具
有向空穴提供较 大限制的偏移比。第一层以及第二层的价带边缘之间的
需要较少的拉伸应变，以使第一层中的重空穴价带边缘
中的重空穴价带边缘能量以下，并且，从而向E-HH跃
能量差较小，因此
能量下降到第二层
迁提供Ⅱ型状态。
优选实例
制造具有增益结构的装置，所述装置包括五个“阱”48以及六个“势
“阱”48各生长为11nm厚，而“势垒”生长为7nm厚，其中每
长有单一“势垒”。紧靠在增益介质之上以及之下的是SCH
垒”49。
个“阱”之间生
层。
本实例中的装置是SOA（半导体光放大器），但原则上可以是具有半导
体增益/损耗介质的任何装置。SOA增益介质包括In1-x-
叠，所述MQW堆yAlxGayAs MQW堆
叠包括交替的In1-x-yAlxGayAs的第一层48
（“阱”）以及 In1-x-yAlxGayAs的第二
层49（“势垒”）。所述阱相比势垒49具有较小带隙能
量。阱材料的组合物针对阱48以及势垒49进行选择以实现：用于约
的波长峰值的带隙；阱层48拉伸应变以及势垒49无应变。阱
应变中断轻空穴以及重空穴的阱价带边缘能量的退化，这样，
边缘实际上向下“推动”并远离电子带，并且轻空穴的带边缘实
电子带。因为势垒生长为近似无应变，所以势垒的重空穴带以
退化。电子-轻空穴跃迁47成为直接带隙（Ⅰ型）跃迁；而电
1550nm
48中的拉伸
重空穴的带
际上拉向
及轻空穴带
子-重空穴跃
迁50成为间接带隙（Ⅱ型）跃迁。
表1详细说明了所述装置的层组合物、应变以及厚度。
表1
图8所示为优选实例的装置的理论带结构（电子带59、重空穴带61、
轻空穴带62）以及计算出的波函数的示意图。对于导带，第一电子能级波
函数64实际上呈现与五层第一“阱”材料相对应的五个量子阱，因此具有
5个峰值。相应地，第一轻空穴能级波函数63也呈现5个量子阱，因此具
有5个峰值。然而，因为有六层第二“势垒”材料，所以第一重空穴能级
波函数60呈现6个量子阱，因此包括6个峰值。因而本装置中有5个对
作出贡献的量子阱，以及6个对g(TE)作出贡献的量子阱。适当地选
（第一层）以及“势垒”（第二层）的厚度，这样，量子阱可以是机械
合的阱量子。
g(TM)
择“阱”
上耦
利用MOVPE以及标准平版及蚀刻技术制造包括表1中的层结构的多
每个装置都呈矩形平面形状，并包括InP基底，所述基底上以掺杂成n
型的InP“包层”6上覆生长。5μm宽的基于InP的无源波导随后形成于包
层之上。无源波导设计为与光纤模式匹配，优选与末端具有透镜的光纤模
式匹配以实现高效输入/输出耦合。然后在无源波导之上，表1中的层生长、
图案化并蚀刻以形成一系列直立台面，其宽度从一个末端小面处的
线性递增到芯片中心处的1.3μm。1.3μm随后递减为相反末端小面处
BH SOA装置。装置形成于InP晶片上。一旦完成制造，便将独立SOA装
置分成0.88mm长的条形物，并在两个末端小面都涂上抗反射层。
0.3μm
的0.3
大宽
增益，
μm的宽度。增益介质从末端小面处的较窄宽度递增为装置中心的较
度，这确保进入无源波导的光在装置的中心与增益介质耦合以获得光
随后与无源波导再次耦合，以在小面处提供较高的光纤耦合效
图案化，这样，在末端小面间延伸的台面的长度相对于垂直于
偏离10度角以减少背反射。台面随后以上覆生长的半导体材
着台面的侧壁提供电流阻断层。通过生长5μm p型掺
长高掺Zn的InGaAs p接触层，对台面进行内埋。
以进行装置评估。测量光增益、PDG以及其他
锥形有源层以及无源波导，但原则上可使
着长度具有统一宽度的有源层。
率。对台面
小面的方向
料覆盖，以沿
Zn的InP层，接着生
然后，对装置电连接，
参数。本发明的优选特征是
用任何合适的装置设计，例如沿
首先，通过向SOA提供驱动电流并将装置的输出光耦合到涂有抗反射
表2所示为通过在C带上的3个波长下将激光耦合到SOA中而获得的
装置之一的小面间增益、PDG、噪声系数（NF）以及Psat的测量值。Psat
值为输出光水平，在所述水平下，SOA增益开始降低，即所述输出饱和。
分别对SOA装置施加100mA的驱动电流并将其维持在20℃的操作温度下。
0.8dB到1.5dB的所测得PDG接近1dB的设计值（一种偏振的增益
正交偏振的增益的～20%以内）。通过将所述“阱”（第一层）的厚度
PDG理论上显示为降低到零。
层且末端具有透镜的光纤中，以评估连接的SOA装置，其中末端具有透镜
的光纤的模型尺寸与SOA的无源波导的模型尺寸相匹配。装置的小面到光
纤耦合损耗经过测量达到每个小面0.5dB到1.0dB。在固定的装置电流以
及温度下，使用大区域检测器来比较中间的输出功率差并比较光纤内的光
的量，这样来进行测量。
处在
降低～3
w> dB 表2
尽管以上所示的所述优选实例用于经设计以用于中等增益的SOA，但
图9以及图10中图示了本发明的另一种实例。此实例与图6所示的优
在此结构中，需要至少3种不同材料组合物：如图9所示用于复合阱 65的
选实例相似，不同之处在于阱48以及势垒49两者均位于整体“复合”量
子阱65中。此复合阱65是一个或一个以上阱48以及势垒49的一种布置，
所述阱48以及势垒49形成了可代替MQW结构中简单的单一阱层的单元。
图10所示为三个此类复合量子阱65的实例，所述复合量子阱与两个其他
势垒层67毗连并由所述势垒层分离，然而在原则上，可使用任何数量的复
合量子阱65以及其他势垒67。导带以及价带中，阱48以及其他势垒67之
间的能量势垒差分别大于阱48以及势垒49之间的能量差。
是将另外的QW引入到增益介质中或增大芯片的长度将增加SOA的增益。
增加QW的数量将改变相关TE以及TM模态限制因子，因此可在这“较高
增益”装置中获得低PDG，所以，有必要修改“阱”的拉伸应变、阱的厚
度、势垒的厚度、“势垒”应变或以上项的任何组合。本发明的装置也可用
于较复杂的结构，例如并入集成光学装置、反射SOA以及外腔可调激光器
中。
两种材料组合物（一种用于阱48、一种用于势垒49）；以及用于所述
复合量子阱之间的其他势垒67的一种材料组合物。依据通过使用Ⅰ型以及
Ⅱ型量子阱对TE以及TM增益的控制所作出的改进，此结构的优点图8中
所描述的结构相同，但是此处有额外自由，来对电子-重空穴间接跃迁设计
大的重叠。装置的设计者可改变：材料组合物；每个复合阱中阱48以及势
垒49的厚度以及相对数量；相比于其他势垒67的数量的复合阱65的数量；
其他势垒67的厚度以及材料组合物。一个或一个以上其他势垒层67
被复合量子阱65交替夹在中间。优选具有“m个”复合量子阱65以及
个”其他势垒层67。此外，增益介质可包括一个或一个以上复合量子
以及由一个或一个以上其他势垒层67分开的一个或一个以上
阱。
优选
“m±1
阱65，
标准单一量子
其他势垒67优选包括In1-x-yAlxGayAs
（x>0，y>0）。其他势垒67优选 包括In1-x-
yAlxGayAs（0<x<=0.48，0<y<0.6）。其
他势垒67优选无应变。 在原则上，复合量子阱65可具有一个或一个以
上势垒49。每个复合量子阱65中每个势垒49
物构成，然而，为便于制造，需要复合量
材料组合物，且复合量子阱65中所有势
上阱48以及一个或一个以
或阱48可由不同的材料组合
子阱65中所有阱48具有相同的
垒49具有相同的材料组合物。
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