具有量子阱结构的半导体光调制器制造技术

一种光调制器包括第一波导层和势垒层、以及夹在该第一波导层和该势垒层之间的量子阱层，其中该量子阱层具有渐变组分，该渐变组分在最小带隙能量和该第一波导层和势垒层中至少一个的带隙能量之间改变该量子阱层的带隙能量。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
基于半导体的光调制器已经通过使用许多不同的技术来进行开发，并被用于调制光通信的光。一种这样的基于半导体的光调制器被称为电吸收调制器。在一个例子中，半导体电吸收光调制器用于调制1550纳米(nm)波长的光，以供长距离光纤通信系统中使用。典型的半导体电吸收光调制器采用晶片处理技术来制造。该光调制器通常由外部电路施加反向偏压，以使当输入光源被耦合到该光调制器中时，输入光由光调制器中的一个或多个量子阱转换为光电流。光调制器中的量子阱吸收光子并将光子转换为光电流的光的波长取决于用于制造光调制器的层的材料和施加于光调制器的电偏压。光调制器中的量子阱吸收光子并将光子转换为光电流的光波长也会受到利用所谓的量子约束斯塔克效应的影响。量子约束斯塔克效应是一种使用施加于光调制器的反向电偏压使得用于形成调制器的量子阱的材料的基态次能带能量间距(separation)能够被减少的现象。次能带能量的减少产生了所谓的“场效应”光调制器。通过使用量子约束斯塔克效应，光调制器能够运行的速度大大超过了常规直接调制的半导体激光器能够传输数据的速度。通常，用于形成量子阱层的材料的带隙小于用于形成势垒层材料的带隙，势垒层夹在各个量子阱层中间。当光调制器被施加合适的反向电偏压时，向量子阱引导的输入光被吸收，以在量子阱中产生电荷载流子，例如导带中的电子和价带中的空穴。然后从量子阱中提取电子-空穴对以产生光电流。用于形成量子阱层的材料和施加到光调制器上的电偏压大大地影响光调制器中量子阱的吸收系数。吸收系数是量子阱吸收光并产生电子-空穴对的能力的量度。用于形成量子阱的材料和用于形成势垒层的材料大大地影响量子阱层释放光生电子-空穴对以产生光电流的能力。例如，在量子阱层与势垒层接合处的高能垒提供了显示出高吸收系数的边界明确的(well-defined)量子态。然而，在量子阱层与势垒层接合处的高能垒也使得难于提取电子-空穴对和产生大的光电流。如果未有效地提取光生载流子，那么将产生内部电场，从而导致光调制器的响应被减慢以及导致吸收特性相对于入射功率而饱和。因此，期望提供一种光调制器，其显示出高吸收系数并产生大的光电流，同时以高的光功率最小化饱和度并维持快速响应。
技术实现思路
在一个实施例中，本专利技术提供一种光调制器，包括第一波导层，势垒层，以及夹在第一波导层和势垒层之间的量子阱层，其中量子阱层具有渐变组分(graded composition)，该渐变组分在最小带隙能量与第一波导层和势垒层中至少一个的带隙能量之间改变量子阱层的带隙能量。本专利技术还提供一种用于产生光电流的方法，包括提供具有至少一种元素的量子阱结构，所述元素在该量子阱结构内形成渐变组分，该渐变组分改变量子阱结构的带隙能量；将光引导到该量子阱结构上；在量子阱中将光转换成电子-空穴对；以及从量子阱中提取电子-空穴对以产生光电流。所述具有用于提高有效光电流产生能力的量子阱结构的半导体光调制器分别使在量子阱中导带中电子和价带中空穴的波函数的峰值基本上对准。在一个实施例中，量子阱结构用具有渐变带隙能量分布的量子阱层来形成。在另一个实施例中，量子阱结构用邻近量子阱层设置的具有渐变组分的材料的附加层来形成。电子和空穴波函数的对准增大了量子阱的吸收系数。量子阱结构在量子阱和势垒层间的界面处提供了高能垒，同时允许有效地提取光生载流子以提供大的光电流。附图说明参考后面的附图可以更好地理解本专利技术。附图中的部件不一定按照比例绘制，而是把重点放在清楚地说明本专利技术的原理上。而且，相同的附图标记在整个附图中表示相应的部分。图1A是说明常规半导体光调制器10的一部分的示意图。图1B是示出图1A的光调制器在反向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图。图2A是说明根据本专利技术实施例制造的半导体光调制器的一部分的示意图。图2B是示出图2A的光调制器在0或合适的(modest)正向电偏压(也称为“平带”条件)下的导带分布和价带分布的能带图。图3A是说明在反向电偏压下图2A的半导体光调制器的一部分的示意图。图3B是示出图3A的光调制器在反向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图。图4A是说明根据本专利技术替代实施例制造的半导体光调制器200的一部分的示意图。图4B是示出图4A的光调制器在0或合适的正向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图。图5A是说明在反向电偏压下图4A的半导体光调制器的一部分的示意图。图5B是示出图5A的光调制器200在反向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图。图6A是说明根据本专利技术另一实施例制造的半导体光调制器的一部分的示意图。图6B是示出图6A的光调制器在反向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图。图7是说明通过在光调制器的量子阱中的光吸收和随后的载流子提取而产生光电流的方法的流程图。具体实施例方式下面将描述在磷化铟(InP)材料体系中实现的具有用于提高光电流产生能力的量子阱结构的半导体光调制器，并且具体而言是在InP衬底上使用铟镓砷磷(InGaAsP)制造的光调制器。然而，具有用于提高光电流产生能力的量子阱结构的半导体光调制器也可以在使用其它材料例如铝镓铟砷(AlGaInAs)制造的设备中实现。图1A是说明常规半导体光调制器10的一部分的示意图。光调制器10包括p型材料层12，在其上面形成波导层14。量子阱层16形成于波导层14之上。势垒层18形成于量子阱层16之上。另一量子阱层22形成于势垒层18之上，并且另一波导层26形成于量子阱层22之上。n型材料层28形成于波导层26之上。形成光调制器10的层的材料可以从磷化铟材料体系或从其它材料体系中选取，这取决于期望的光调制器10的工作特性。量子阱层16形成量子阱11，以及量子阱层22形成量子阱14。在此例中，波导层14也起量子阱11的势垒层的作用，以及波导层26起量子阱14的势垒层的作用。波导层14、量子阱层16和势垒层18形成量子阱结构20。势垒层18、量子阱层22和波导层26形成量子阱结构22。量子阱层16和22的材料具有比波导层14和26的材料以及势垒层18的材料低的带隙。虽然图1A示出两个量子阱结构，但是在光调制器10中可以形成更多或更少数量的量子阱结构。图1B是示出图1A的光调制器10在反向电偏压下的导带分布和价带分布的能带图15。光调制器10一般在反向电偏压下运行。导带52的分布和价带54的分布显示出能带能量随距离的变化。在所示的例子中，量子阱层16和22的材料的导带能量小于波导层14和26以及势垒层18的能量。价带分布通常是导带分布的镜像，其中量子阱层16和22的材料的价带能量大于波导层14和26以及势垒层18的能量。导带和价带能量在量子阱层16与波导层14以及势垒层18的界面处突然改变。同样，导带和价带能量在量子阱层22与波导层26以及势垒层18的界面处突然改变。当施加反向偏压时，光调制器10运行以将引导到量子阱结构20和22上的波长的光转换为在量子阱11和14中的电于空穴对。例如，光吸收将引起在导带52中的量子阱11中产生束缚电子62，以及在价带54中的量子阱11中产生束缚空穴64。为了使光调制器10快速响应并且不遭受由于以高的光功率的光吸收而引起的饱和，必须从量子阱中提取光生电子和空穴，并向触点偏移(未示出，但与p型材料层12和n型材料层28本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光调制器，包括：　　　　第一波导层和势垒层；以及　　　　夹在该第一波导层和势垒层之间的量子阱层，其中该量子阱层具有渐变组分，该渐变组分在最小带隙能量与该第一波导层和势垒层中至少一个的带隙能量之间改变该量子阱层的带隙能量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DP布尔，J朱，
申请(专利权)人：阿瓦戈科技光纤IP新加坡股份有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]