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具有耦合波导层的集成光器件

基本信息

  • 申请号 CN00810366.6 
  • 公开号 CN1361873A 
  • 申请日 2000/07/14 
  • 公开日 2002/07/31 
  • 申请人 布里斯托尔大学  
  • 优先权日期  
  • 发明人 I·H·怀特 R·V·彭蒂 S·于  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 英国布里斯托尔 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公司 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 吴增勇 
  • 有效性 发明公开 
  • 法律状态
  •  

摘要

一种集成光学器件包括第一和第二光学器件(5,9)以及光波导层(3)。
每一个光器件(5,9)设置成与波导层(3)光耦合。
所述要耦合的光器件可以是例如分布式反馈半导体激光器和电吸收调制器。
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权利要求书


1.一种集成光器件,它包括第一和第二光器件以及光波导层,其 中,每一个光器件设置成与所述波导层光耦合。

2.一种集成光器件,它包括:基片层;由所述基片层携带的波 导层;以及由所述波导层携带的第一光器件,其中所述第一光器件与 所述波导层光耦合。

3.如权利要求2所述的器件,其特征在于包括由所述波导层携 带并且与所述波导层光耦合的第二光器件。

4.如权利要求2或3所述的器件,其特征在于:所述第一光器 件通过所述第一光器件的耦合区与所述波导层耦合。

5.如权利要求2、3或4所述的器件,其特征在于:所述第二光 器件通过所述第二光器件的耦合区与所述波导层耦合。

6.如权利要求2-5中任何一个所述的器件,其特征在于:所述 第一光器件是分布式反馈半导体激光器。

7.如权利要求2-5中任何一个所述的器件,其特征在于:所述 第一光器件是分布式布拉格(Bragg)反射半导体激光器。

8.如权利要求2-5中任何一个所述的器件,其特征在于:所述 第一光器件是法布里-珀罗(Fabry-Perot)空腔半导体激光器。

9.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-8中任何 一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件是电吸收调制器。

10.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-8中任何 一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件是马赫-策恩德 (Mach-Zehnder)调制器。

11.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-8中任何 一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件是电-光调制器。

12.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-8中任何 一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件是光放大器。

13.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-8中任何 一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件是光检测器。

14.如权利要求2-13中任何一个所述的器件,其特征在于还包 括由所述波导层携带并且与所述波导层光耦合的光器件。

15.如以上权利要求中任何一个所述的器件,其特征在于:所述 器件是半导体器件,其中,所述光器件或者每一个光器件由分层结构 形成。

16.如权利要求15所述的器件,其特征在于:通过外延生长法 在所述波导层上形成所述光器件或者每一个光器件。

17.如权利要求2-16中任何一个所述的器件,其特征在于:所 述波导层包括光传输材料层和保护材料层。

18.如权利要求3或者从属于权利要求3的权利要求4-17中任 何一个所述的器件,其特征在于:所述第二光器件的至少一部分是由 所述波导层的一部分形成的。

19.一种基本上如上文中参考所述附图描述的并且如所述附图中 所示的集成光器件。
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说明书

本发明涉及光器件,更详细地说,涉及集成半导体光器件。
发明背景 用于把具有不同带隙能量值的半导体光电器件、例如半导体激光 器和外部调制器集成在单一基片上的传统方法分成三种主要类型。
在所谓的“对焊法”中,以外延方式在半导体基片上生长各种元 件结构之一(例如半导体激光器)。
然后,从基片的表面上准备形成另 一种元件结构(例如调制器)的地方去除不希望有的生长区。
因此,在 这些区域上生长第二种元件结构。
这种方法有若干缺点:在所述不同 结构的光波导层之间出现不对准;以及在第二生成步骤期间、在所述 两个区之间的边界处出现不良的结晶质量和层损伤。
第二种方法称为“选择区生长(SAG)”法。
在这种技术中,在以 外延方式在基片上生长器件之前,给所述基片加工图案。
在单一工艺 步骤中生长所有元件结构。
因此,各光波导层自定位。
依据以下事实、 即在整个图案基片上改变生长速度将导致诸如量子阱厚度等参数的 变化,实现材料参数、尤其是带隙能量的必要的差别。
这种技术的主 要缺点是可以实现的带隙差别往往是有限的。
还难于将两种器件结构 单独优化,因为它们必需具有相同的层结构和掺杂分布。
在通称为量子阱混合(QWI)的第三种技术中,在单一生长步骤 中、在通常的基片上生长元件量子阱(QW)结构。
通过混合处理来改变 量子阱带隙、这使所述QW改变材料成分和几何形状,导致带隙变化。
波导层也是自定位的。
这种技术的主要缺点是可以实现的带隙差别受 到可实现的混合量的限制。
所述混合处理通常是在高温下进行的、因 此可能导致材料质量的退化。
此外,混合处理对处理环境和基片表面 状态敏感,这会导致低的可重复性和控制能力。
还难于将两种器件结 构单独优化,因为它们必需具有相同的层结构和掺杂分布。
本发明的概述 根据本发明的一个方面,提供一种集成光器件,它包括第一和第 二光器件以及光波导层,其中,每一个光器件设置成与所述波导层光 耦合。
根据本发明的第二方面,提供一种集成光器件,它包括:基片层; 由基片层携带的波导层;以及由波导层携带的第一光器件,其中,所 述第一光器件与所述波导层光耦合。
附图简述 图1图解说明本发明的第一实施例; 图2图解说明本发明的第二实施例;以及 图3图解说明本发明的第三实施例。
最佳实施例的详细描述 正如参照附图1会理解的,本发明的各实施例通过在所述集成器 件中设置独立的波导层而克服先前考虑的集成技术的缺点。
图1图解说明运用本发明的第一集成光器件。
该器件形成在基片 1上并且包括形成所述各器件结构的各材料层。
所述基片携带波导层 3,后者由能够传输光信号的低损耗材料、例如具有较宽带隙的半导 体材料、如InP、GaAs或相关的化合物构成。
波导层3最好由包层4 包围。
在包层4上或波导层3上设置各个光器件5和9。
第一器件5 包括器件区6和耦合区7。
第二器件9包括耦合区10和器件区11。
这样设置每一个器件、使得它可以把光信号耦合到波导层3。
由于以 下原因而发生这种光耦合:所述器件位于邻接波导层3的位置,并且 所述耦合区的传播常数基本上等于波导层3的传播常数。
例如,1μm 的间隔使光可以在所述器件和波导层3之间耦合。
但是,每一个光器件最好设置有耦合区,以便优化器件与波导层 之间的耦合,如图1中所示。
器件及其相关的耦合区的总长度确定了 光信号在器件和波导层3之间耦合的模式。
当光从器件耦合到波导层 3中时,最好这样选择耦合区的长度、使得在器件的端部发生最大的 光功率传输。
这有助于把光损耗和后向散射减至最小。
当光从波导层 3耦合到器件中时,把所述长度选择成或者有助于使耦合区端部的光 功率传输达到最大、或者有助于沿着所述器件长度方向的渐变的光功 率传输。
前一种模式将使大部分光功率聚集在器件区的入口,而后一 种模式将给出沿着器件长度方向的比较平均的光功率分布。
如果耦合 界面的长度等于波导层3的最低阶模式的差拍长度,则可以实现完全 耦合。
这样设置耦合区7和10、使得在这些区和波导层3之间发生强 的光耦合。
如上所述,这可以通过使所述耦合区的传播常数基本上等 于波导层3的传播常数来实现。
另一方面,可以使区域7和10的横 向波导形状逐渐减小。
这样设置第一器件、使得由器件区6产生或处 理的光信号通过耦合区7耦合到集成器件的波导层3中。
然后,耦合 到波导层3中的光信号通过第二器件9的耦合区10与第二器件9耦 合。
耦合区10与器件区11耦合、用于把光信号传输到器件。
通过以 下方法形成所述集成器件:在基片1上生长波导层3(和光保护层4); 然后,或者在单一外延生长操作中、或者在分开的操作中生长各个器 件5和9。
以与所述器件区集成的方式形成每个器件的耦合区,因此, 两者之间的光耦合得以加强。
由于器件5和9中的每一个与集成器件的波导层耦合、以便在两 个器件之间传输信号,所以,不必以同一制造步骤的一部分的形式来 生产所述各器件。
波导层3提供用于在所述各器件之间传输光信号的 独立的耦合通路14,因此,所述传输与实现所述器件之间的直接耦合 无关。
图2图解说明本发明的特殊的实施例,其中,第一器件是分布式 反馈半导体激光器(器件区6),而第二器件是电吸收调制器。
两种器 件使用短的耦合区长度、以便优化器件和波导层3之间的耦合。
在图 2所示的实例中,波导层3是无源的,并且仅仅使光能量能够沿着光 通路14在两个器件之间传输。
图3中示出本发明的另一个实施例,其中,分布式反馈激光器6 通过耦合器7耦合到波导层3。
在图3的实施例中,设置也是电吸收 调制器的第二器件15。
但是,在图3的实施例中,由其上可施加偏压 的调制层16来形成调制器15。
波导层3则形成调制器本身的一部分。
因此,应当指出,本发明的各实施例能够克服与先有技术有关的 缺点。
例如,图3的实施例易于制造,因为仅仅需要一种外延生长处 理,而通过简单的金属化处理来制造所述调制器。
根据本发明的可集 成在携带波导层的基片上的光器件的实例是:法布里-珀罗(Fabry- Perot)空腔半导体激光器;分布式反馈半导体激光器;分布式布拉格 (Bragg)反射半导体激光器;电吸收调制器;马赫-策恩德(Mach- Zehnder)调制器;或电光调制器。
其它光元件、例如检测器或放大器 也适用于本发明的实施例。
当然,以上器件和元件清单不是没有遗漏 的,其它合适的器件和元件也可以用于采用本发明的集成器件中。
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