[发明专利]耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件。

背景技术

微波链路在通讯、信号处理和雷达等方面有着重要的应用。然而，随着微波频率的提高，微波射频信号在电缆线和波导中的损耗迅速增大，尤其是在毫米波波段。

微波光纤链路用微波信号来进行光强度调制，并且通过光纤进行传输或分发到光接收机，通过光接收机来还原微波信号。从链路两端来看，微波光纤链路与微波链路完全等效，且由于光纤的光损耗非常小，因此大大增加了高频微波信号的传输距离。正因为微波光纤链路的这个优势，其在无线通信、有线电视、相控阵天线、远程天线等领域有广泛的应用。

微波光纤链路中，激光器的噪声会恶化链路的噪声系数，调制器的非线性也会减小链路的无杂散动态范围(SFDR)。所以，微波光纤链路与有源微波链路类似，其重要的性能参数为：1、微波增益和带宽；2、噪声系数(NF)；3、无杂散动态范围(SFDR)。

为了提高微波增益、减小噪声系数，最为有效的手段就是提高工作点光功率，因而要求光调制器和探测器具有高饱和光功率特性。对于半导体的光调制器和探测器，在高光功率条件下将面临光学非线性、光生载流子堆积等问题。这些问题将直接导致器件出现光功率饱和现象，从而出现转换效率下降的后果。解决这些问题的方法可从材料优化和器件结构优化两方面入手。目前，器件结构优化方面有采用大光腔的方法，来降低整个器件中有源区的光限制因子，减小了光生载流子密度。这有效提高了器件的饱和光功率。但由于整个器件中的光限制因子都较小，光吸收不够充分，导致驱动电压增大，减小链路的微波增益。为了克服这个缺点，降低驱动电压，大光腔结构的调制器其器件长度往往较长，这又会带来器件带宽下降、插入损耗增加、制作难度提高等问题。

分析电吸收调制器中光传播过程，在整个电吸收调制器中，由于吸收的作用，光沿着传播方向越来越弱。也就是说，对于传统的波导结构，在光入射端有源区光密度最大，即光生载流子浓度最大，最容易出现饱和效应。而在波导后端，由于光吸收作用，有源区的光密度已经远远小于输入端的有源区光密度，导致波导后端光吸收很弱，不利于实现较小的驱动电压。因此，为了实现较大的饱和光功率，只需要减小输入端有源区光密度即可。

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：提供一种耦合波导、其制作方法及应用其的半导体光电子器件，以根据需要对耦合波导各处横向光场的分布进行调整，进而优化器件光限制因子的分布。

(二)技术方案

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种耦合波导，包括从下往上依次分布的衬底、下波导包层、第一波导芯层、隔离层、第二波导芯层和上波导包层，所述第一波导芯层为有源波导层，所述第二波导芯层为耦合导引波导层，所述第二波导芯层具有横向宽度沿导光方向逐渐变化的宽度渐变段，所述上波导包层覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧面。

优选地，所述第二波导芯层宽度渐变段的横向宽度沿导光方向先逐渐变宽、再逐渐变窄。

优选地，所述第一波导芯层为多量子阱有源层。

优选地，所述耦合波导为脊波导，所述隔离层、第二波导芯层和上波导包层形成所述脊波导的脊形部分。

另一方面，本发明提供了一种上述耦合波导的制作方法，包括以下步骤：

S1：在洁净的外延片上一次外延依次生长下波导包层、第一波导芯层、隔离层以及第二波导芯层；

S2：对所述第二波导芯层进行处理，形成横向宽度沿导光方向变化的宽度渐变段；

S3：进行二次外延形成覆盖于所述第二波导芯层的上方和侧面的上波导包层。

优选地，所述对第二波导芯层进行处理的步骤包括用电子束曝光在所述第二波导芯层上制作掩膜，再通过先干法刻蚀、后湿法腐蚀所述第二波导芯层的过程。

优选地，在所述步骤S3之后还包括通过干法对所述上波导包层和隔离层进行刻蚀以形成脊波导的步骤。

又一方面，本发明提供了一种具有上述耦合波导的半导体光电子器件，所述半导体光电子器件包括电吸收调制器或光探测器，所述耦合波导第二波导芯层与所述电吸收调制器或光探测器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变窄。

优选地，所述半导体光电子器件还包括与所述电吸收调制器或光探测器共用同一耦合波导的半导体光放大器，所述耦合波导的第二波导芯层与所述半导体光放大器对应部分的横向宽度沿导光方向逐渐变宽。