第19卷第5期 半 导 体 学 报 Vol . 19,No. 5 1998年5月 CH I N ESE JOURNAL OF SEM ICONDUCTORS M ay, 1998 吴荣汉 男, 1936年出生,研究员,国家光电子工艺中心主任,主要从事半导体光电子器件的研究 陈志标 男, 1970年出生,博士生,主要从事半导体光电子器件的研究 1997203214收到, 1997206202定稿多量子阱非对称法布里珀罗 光调制器的模式波长调整吴荣汉 陈志标 陈弘达 高文智 赵 军(中国科学院半导体研究所国家光电子工艺中心 北京 100083)摘要 本文计算了不同折射率膜层下,非对称法布里珀罗腔模式波长随膜层厚度的变化.分析了在膜层折射率较低时,模式波长随层厚的增加反而减小的机理,并在实验中研究这种现象.利用湿法腐蚀的方法移动模式波长,补偿由生长误差引入的模式波长偏差,从而做到模式波长可控,获得高消光比的器件.同时利用湿法腐蚀方法将模式波长调整到不同位置,测量了不同模式波长位置时器件的调制特性.PACC:4265P, 4280K1 引言近十几年来,人们对多量子阱在外加电压下的量子限制Stark效应进行了很多的研究,由此而发展起来的多量子阱非对称法布里珀罗(A SFP,A symmetric Fabry2Perot)光调制器、 自电光效应器件(SEED)以及灵巧象素元(Smart Pixels)得到很快的发展15, 11, 12,这些器件将在光互连和光交换中发挥重要的作用.这类器件底部一般都有一个反射率高达90%以上的DBR(D istributed2Bragg2Reflector)膜堆,中间为多量子阱吸收层,顶部的反射率一般在30%左右(GaA s? 空气界面),因为顶部和底部的反射率不同,因而构成一个非对称F2P腔. A SFP腔的谐振作用可使吸收效应增强.要获得好的调制特性,模式波长必需位于重空穴激子峰(e2hh)的适当位置5.由于生长厚度的偏差,不可避免地使模式波长的位置与设计值发生偏离.虽然高消光比调制器的消光比已达30dB4,但对生长控制十分苛刻,或者只能选择生长片上模式波长合适的一小部分制作器件才能达到高的消光比,而其他部分由于模式波长偏离,只能采用后工艺的处理办法.在一般的文献资料中,往往在器件的顶 部镀减反膜以减小或消除F2P腔的谐振作用,此时器件消光比将下降.事实上由于减反膜很难真正使顶部的反射率降到零,因此F2P腔的谐振作用依然存在,只是较弱而已,因此,分析镀膜时模式波长的移动仍然十分重要.另外也可以采用湿法腐蚀的方法调整模式波长, 镀膜实际上是增加了F2P腔的腔长,因而可以改变F2P腔的模式波长位置,相反,湿法腐蚀减小了F2P腔的腔长,同样可改变模式波长的位置.采用湿法腐蚀调整A SFP腔的模式波 长,目前发表的文献中还未见有这方面的报道.湿法腐蚀可以补偿生长厚度偏差引起的模式 波长偏离,同时保留A SFP腔的谐振吸收作用,从而制作出高消光比的器件.高消光比器件 用于光互连时,由于高的信噪比,只需一个光调制器和光探测器就可传输一路光信号;而对 于消光比低的器件,必须使之工作在差分方式,需要两对光调制器和光探测器即共需要四个器件才能完成一路信号的传输,差分方式工作的Smart Pixels电路和光路安排都比较复杂3, 5. 本文计算了湿法腐蚀和镀膜两种方法对移动模式波长的作用,解释了在镀膜层的折射 率较低时模式波长随膜层厚度的增加反而减小的机理,并在实验中研究这种现象.利用湿法 腐蚀的方法将28列阵型调制器模式波长调整到合适的位置,从而获得高的消光比.同时, 利用湿法腐蚀的方法将模式波长调整到不同的位置,研究了不同模式波长位置时器件的调制特性.2 镀膜对模式波长的作用2. 1 理论分析如图1(a)所示为多量子阱A SFP光调制器的工作原理示意图,图1(b)为器件的结构图 (在图中还给出了按文献6所取的折射率值).对于常关型调制器量子阱的个数一般为50, 工作波长在e2hh峰附近.器件顶部可以镀 ?4减反膜以降低A SFP腔的谐振吸收作用.量 子阱反射式电场光调制器可等效为一个三层膜,器件底部的DBR高反射膜堆被等效为底部 高反射率层,器件的多量子阱区和P型层被等效为具有平均折射率的中间层,器件顶部膜层和空气层被等效为顶部层,设从器件中间层向器件底层看的反射相移为 ,向顶部层看的 反射相移为 ,中间层本身的相移为 ,则在模式波长处应有: += 2k图1 量子阱A SFP光调制器示意图图2为膜层折射率分别为115, 1165, 118, 119, 211, 315时模式波长移动与膜层厚度的关系(其中n为315的那条直线也可以看成是湿法腐蚀时模式波长随腐蚀厚度的变化曲243 半 导 体 学 报 19卷图2 膜层折射率分别为1. 5, 1. 65, 1. 8, 1. 9,2. 1, 3. 5时模式波长移动与膜层厚度的关系线,只是湿法腐蚀时模式波长随腐蚀厚度 的增加而减小).从图中可以看出,当折射 率较大时,模式波长随膜厚的增加而增 加,当折射率较小,开始时模式波长随膜 厚的增加而增加,但增大到一定值时,反而随膜厚的增加而减小.折射率值的分界 线基本上为nGaA s=3. 5 = 1. 87其中 nGaA s取量子阱区和P区的平均折射 率值. 上面的结论也可以从下面的定性分 析中得出:按多层膜反射率的矢量分析法 7 ,从GaA s层往顶层看的反射率应为:r=r1+r2e- i r1+r1r2e- i此处r1=nGaA s-ncoating nGaA s+ncoating;r2=ncoating-1 ncoating+ 1;= 4ncoatingdcoating? 式中 nGaA s为中间层平均折射率;ncoating为膜层的折射率.当 =,ncoating=ncoating= 1187时,r= 0 ,当ncoating 1187,r的相位随 的增大而增大,表现为模式波长随镀膜层厚度的增加而 增加;但当ncoating 215),低折射率材料对模式波长 的移动量有限.具体对于Si N来说,其模式波长的移动值在正负10nm之间.由于镀膜后器 件不可能达到很高的消光比,因而器件只能串起来以差分方式工作,此时对器件性能的评价将是反射率变化的大小.只要膜层的厚度在 ?4左右,其高低态反射率差是查不多的.不同 的在于消光比和插入损耗不一样,我们可以根据不同的实际需求来控制镀膜层的厚度,以便 获得所需的器件性能.643 半 导 体 学 报 19卷如果要获得高消光比的器件则只有采用湿法腐蚀的方法来控制模式波长.利用CH3OH H3PO4H2O2作腐蚀液,我们基本上可将模式波长控制在2nm的精度,做到模式波长基 本人工可控,满足器件的需求.不同器件的模式波长移动值基本一致, 28列阵器件在模式 波长与激子峰间距为10nm时消光比为5,进一步将模式波长腐蚀到距激子峰8nm处消光 比大约为8.如果要获得更好的器件调制特性,需要增加量子阱的数目.参考文献 1 D. A. B. M iller,D. S. Chem la, T. C. Damenet al. , IEEE J. Quantum Elctron. , 1985, QE-21(9): 1462. 2 A. L. Lentine, D. A. B. M iller, IEEE J. Quantum Electron. , 1993, 29(2): 655. 3 F. B. M clorm ick, T. J. Cloonan, F. A. P. Tooleyet al. , Appl . Opt. , 1993, 32(6): 5153. 4 S. Gerber, R. Droopad and G. N. M aracas, IEEE Photon. Technol . Lett. , 1993, 5(1): 55. 5 F. B. M cCorm ick, T. J. Cloonanet al. , Appl . Opt. , 1994, 33(8): 1601. 6 H. C. Casey. Jr. , D. D. Sell andM. B. Panish, Appl .Phys. Lett. , 1974, 24(2): 63. 7 林永昌,卢维强,光学薄膜原理,北京:国防工业出版社, 1990, 51. 8 陈志标,高文智,陈弘达,吴荣汉,半导体学报, 1996, 17(12): 891. 9 P. Zouganeci, P. J. Stevens, D. A tkinsonet al. , IEEE J. Quantum Electron. , 1995, 31(5): 927.10 陈志标,陈弘达,吴荣汉,光子学报,已接收.11 K. W. Goosen, J. A. W alker, L. A. DA saroet al. , IEEE Photon.Technol . Lett. , 1995, 7(4): 360.12 A. V. Krishnamoorthy, A. L. Lentine, K. W. Goosenet al. , IEEE Photon. Technol . Lett. , 1995, 7(11): 1288.M ode Position Control of Asymmetric Fabry-PerotOptical M odulatorW ithM ultiple Quantum W ellsW u Ronghan, Chen Zhibiao, Chen Hongda, Gao W enzhi, Zhao Jun(N ational Op toelectronic T echnology Center,Institute of S em iconductors,Chinese A cademy of S ciences,B eijing 100083)Received 14M arch 1997, revised manuscript received 2 June 1997Abstract The controlofA SFP mode position w ith the thickness of different index coatinglayers is calculated.The mechanism for blue shift of A SFP mode w ith the increasing ofthickness of low2index coating layer is analyzed and the phenomenon is observed in experi2ment. W ith w et2etching method, A SFP model can be tuned and thus the deviation ofgrow th can be compensated. Thismethod is used to i mprove the contrast ratio of modula2tor. W ith A SFP model located at different position relative to the e2hh peak, differentmodulation characteristics are demonstrated.PACC:4265P, 4280K7435期 吴荣汉等: 多量子阱非对称法布里珀罗光调制器的模式波长调整