具有量子點結構的光學器件的製作方法

2023-06-14 18:04:16 3

專利名稱：具有量子點結構的光學器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子學領域。本發明具體涉及一種具有量子點結構 的光學器件和包括這樣的光學器件的光信號處理單元。
背景技術：
為了獲得具有改進性能的光學器件，採用諸如InAs/InGaAsP之類 的結構的、基於量子點的器件變得越來越具有吸引力。典型地，襯底 由InP製成，活性材料是嵌入InGaAsP勢壘內的InAs量子點。這種器件
的示例是雷射源、光放大器、光傳感器(檢測器)等。在使用基於量 子點的器件的方面的關注主要在於它們能夠提供低啁啾、低噪聲、對 溫度的低靈敏度以及寬波長應用。
量子阱和量子點半導體結構在相關領域中是公知的。簡而言之， 將量子阱結構布置為允許電子或空穴沿著兩個空間維度進行傳播，同 時在第三維度上限制該傳播，而將量子點結構布置為在三個維度中限 制載體。
對於光學器件而言，使用量子點結構的一個優點在於利用這樣 的結構，可以實現主動鎖模雷射器中相對較低的定時抖動。
然而，基於量子點的器件關於偏振方面承受相對較高的靈敏度。 這是一個缺陷，原因如下眾所周知，可以使從光源發射的光信號發 生偏振。這意味著光信號的分量的振蕩方向垂直於光信號自身的傳播 方向。偏振的公知示例是具有分別被稱作TE模和TM模的電分量和磁 分量的偏振。所發射的光信號通常通過光纖向光接收機傳播。實際上， 當偏振光信號沿著光纖傳播時，該偏振光信號在其偏振態方面經受特 定的失真。這是由於光纖通常不能將偏振模式保持在從光源發射時的 原始狀態。因此，在接收機端接收到具有失真偏振的光信號。因此， 如果該接收機是偏振敏感器件，則其將不能正確處理接收到的光信號。如上所述，基於量子點的器件是偏振敏感的，並因此具有該缺點。
為了克服該問題，已知特定的解決方案。這些解決方案之一涉及
將基於塊體(bulk-based)的雷射器與基於量子點的雷射器進行級聯。 然而，這兩種器件的級聯會導致結構上複雜、尺寸增大以及成本升高， 並可能引起耦合損耗。
另一解決方案涉及分離光信號以改變其偏振。在這樣的情況下， 分離輸入信號以將信號分成兩個偏振，TM和TE。 TM部分然後由偏振 器進行旋轉，並在被發送至SOA中之前與TE部分進行重新組合。然而， 由於該解決方案並不容易實現，這是由於在重新組合過程中需要避免 兩個臂之間的相消幹涉(destructive interference),此外還會引起封裝 成本的大幅升高。

發明內容
本發明的目的在於克服或實質上減少上述缺點。本發明提出的解 決方案涉及極薄層材料作為分隔部的使用，該材料對由堆疊的先前量 子點層所感應的應變場不敏感。這樣的材料可以是諸如InP或GaAS或 GaP等二元材料，然而，由於InP提供了相對更好的平滑特性，因此InP 是優選的。
在沉積後續量子點層之前，有效地使分隔層的生長面變得平滑。 實際上，二元分隔部的沉積過程也會引起在沉積過程自身期間該分隔 部的正面的平滑生長。
該解決方案允許在不引起實質上不均勻的展寬或位錯的情況下 緊密地堆疊量子點層。
有利地，只要該附加InP層足夠薄，該附加InP層就可以允許在量 子點之間通過隧穿效應而有效耦合。實際上，儘管厚度甚至可以低至 lnm，但厚度為5nm以下的InP層就被視為足夠薄以允許隧穿效應。在 該範圍內， 一些優選值可以是2-3nm，這是由於平滑的效率隨著InP的 厚度而提高。因此，InP層(分隔部)用於使表面變平滑，並且載體可 以在該InP層中開闢隧穿，以便在量子點層之間提供所需的耦合。
在本發明的一些實施例中，提供了一種製造具有一個或多個量子
5點層以及一個或多個勢壘層的光學器件的方法，所述方法包括在勢 壘層上生長分隔層的步驟，其中，所述分隔層適於實質上阻擋由量子 點層所感應的應變場。
在一個實施例中，所生長的分隔層具有帶實質上平滑表面的生長面。
優選地，在所述分隔層上生長後續勢壘層，所述後續勢壘層具有 帶實質上平滑表面的生長面。
優選地，InP材料的分隔層位於後續量子點層之間，並且在使用中
允許在量子點層之間通過隧穿效應進行耦合。
在本發明的一些實施例中，提供了一種具有一個或多個量子點層 以及一個或多個勢壘層結構的光學器件，所述光學器件還包括勢壘 層上的分隔層，其中，所述分隔層適於實質上阻擋由勢壘層所感應的 應變場。
優選地，所述光學器件可以具有兩個或更多個量子點層以及三個 或更多個勢壘層。
優選地，所述分隔層具有實質上平滑的表面。
優選地，在分隔層上生長後續勢壘層，所述後續勢壘層具有實質 上平滑的表面。
優選地，所述分隔層由二元材料製成。
優選地，所述二元材料是InP。
優選地，所述分隔層的厚度大約為3nm。
優選地，兩個後續量子點層之間的間隔大約為5nm。
優選地，InP材料的分隔層位於後續量子點層之間，適於允許在量
子點層之間通過隧穿效應進行耦合。
結合附圖，在以下說明書和權利要求中更詳細地描述本發明的這
些及其他特徵和優點。


圖l是根據傳統方法而構造的、具有一堆三個量子點層的光學器 件的顯微鏡圖像的圖示。圖2是根據本發明而構造的光學器件的顯微鏡圖像的圖示。
具體實施例方式
如上所述，期望提供對偏振不敏感或至少呈現實質上較低偏振靈 敏度的、基於量子點的器件。這樣的器件可以典型地提供改進的定時 抖動特性。
根據誇張的考慮認為，如果量子點層彼此緊密地堆疊從而便於堆 疊的量子點之間的強電子耦合，則可以降低偏振靈敏度。
然而，實驗嘗試證明，在不使器件的性能發生極大惡化的前提下， 在技術上很難堆疊具有極薄分隔部的大量量子點層。在堆疊大量量子 點層方面的關注集中於獲得可接受等級的增益。通過堆疊大量量子點 層，偏振靈敏度可以變得更加可預測，然而，這將需要具有極薄分隔
部的相對較多的一堆層，例如大約10個。獲得可接受等級的增益的另 一條件是使用具有相對較好質量的層。
實際上， 一個困難在於將相鄰量子點層之間的間隔減小至期望 的等級。根據當前的報告，在1.55pm的基於量子點的器件中，已獲得 僅有四個量子點層的大約10nm厚度的分隔部。這看起來是針對能夠適 當操作的期間所能獲得的最薄間隔。已知更薄的間隔會產生在相鄰量 子點層之間感應的應變場。
在本說明書中， 一大堆量子點層可以包括9個或更多個層，薄分 隔層可以為大約3nm。
圖l示出了傳統光學器件l的一部分的圖像的圖示，該圖像是通過 透射電子顯微鏡(TEM)拍攝的。光學器件l具有典型地由InP製成的 n-披覆層(n-cladding)部分ll。光學器件l被示出為具有在襯底ll上 已生長的、由例如GalnAsP或AlGalnAs製成的多個勢壘和限制層12 。 箭頭A示出了生長方向。在各個勢壘層12之間提供了量子點層13。從 圖中可以清楚地看出，量子點層13的各個表面以及勢壘層12的各個表 面是粗糙的(不平滑的)。此外，表面的形狀的粗糙度隨著從下量子點 層向上量子點層(沿著箭頭A的方向)而增大。在圖中，可以觀察到， 與襯底ll的下表面相比，器件的上表面14呈現出更高的粗糙等級。這主要是由於以下事實在層的生長過程中，量子點層13的上界面或表 面(其為粗糙的)在勢壘層12的沉積期間還沒有變平滑。粗糙度通常
是由於諸如GalnAsP之類的勢壘材料對在生長期間由先前量子點層所 感應的應變場的高靈敏度而引起的。如在圖l中可觀察到的，隨著粗糙 度增大，沿著箭頭A的方向，量子點層13的厚度也從下量子點層向上 量子點層而增加。因此，應變場沒有被阻擋，並且應變場的效應隨著 堆疊數目的增加而增大。如上所述，當期望緊密堆疊的結構時，應變 場是有害的。
圖2示出了根據本發明實施例的光學器件的一部分的圖像的圖 示。圖像本身是通過透射電子顯微鏡(TEM)拍攝的。應當注意，該 圖像僅作為示例示出，並不被解釋為限制本發明的範圍。
在圖2中，示出了位於各個勢壘層12之間的一堆量子點層13a和 13b，並且箭頭A示出了生長方向。
根據本發明，分隔層15沉積在各個勢壘層12上。分隔層的材料對 應變場不敏感，或者由於分隔層15沉積在勢壘層12的粗糙表面上，因 而分隔層15至少能夠實質上阻擋應變場的效應。如上所述，諸如InP 之類的二元材料是可用於該目的的材料的示例。應當注意，在現實中， 由於利用現實生活的材料可能無法獲得理想條件，因而用作分隔部的 材料可能不是對應變場絕對不敏感的。因此，在本說明書中，應當在 相對意義上將對應變場"不敏感"的材料的引用理解為能夠實質上阻 擋應變場效應的材料。
如圖2所示，量子點層13a呈現了粗糙表面16a。勢壘層12沉積在量 子點層13a上，當沉積完成時，由於量子點層13a的粗糙度，量子點層 13a形成粗糙表面16b。接下來，分隔層15沉積在勢壘層12的表面16b 上。由於分隔層15對應變場不敏感，因而分隔部15的由此產生的表面 17a是實質上平滑的(沒有粗糙度的)。因此，在該平滑表面17a上生長 了後續勢壘層勢壘12。因此，避開了應變場，並且獲得了勢壘層12的 平滑上表面17b。
因此，由於中間分隔層15在生長面(growth front)上具有平滑表 面，因而允許在其上生長相對較薄的勢壘層12，從而可以堆疊相對較多的量子點層。實驗表明，甚至一堆多達20個量子點層也不會感應出
器件結構中的任何實質位錯(dislocation^
在實際的實驗中，製成了一種樣本器件，該器件具有一堆10個量 子點層，其中，由InP材料製成的、厚度為3nm的分隔層位於厚度均為 lnm的兩個勢壘之間。使用單一橫模雷射技術對該器件進行了處理。 結果為閾值電流lTh大約為50mA，外部效率大約為0.1W/A每面(W/A 每面是器件的效率，表示輸出功率的閾值(瓦特)與注入該器件的電 流(安培)之比)。因此，實驗表明，成功實現了在不引入非輻射缺陷 的前提下對10個量子點層的大約5nm間隔的緊密堆疊，g卩，分隔層厚 度3nm加上與分隔層兩側的厚度均為lnm的兩個勢壘相對應的2nm。
本發明提出的解決方案在不使堆疊的材料質量發生惡化的前提 下，提供了可能製造出具有緊密堆疊的量子點層的光學器件的重要優 點。因此，具有提供了較低定時抖動、較大光帶寬等相關優點的、潛 在的、基於量子點的器件變得與偏振不敏感操作兼容。通過提供這樣 的器件，如上所述，可以利用這些器件的其他潛在有益特性以應用於 光纖通信。利用本發明提出的解決方案，可以製造出具有高溫行為、 改進特性的寬帶半導體光放大器(SOA)。另一優點在於可以實現低啁 啾放大。
可以在用於執行光信號處理的任何單元中使用本發明的器件，該 光信號處理例如但不限於時鐘恢復、光放大、波長轉換或信號處理。
此外，應當注意，與所要求的手段相對應的結構列表並不是詳盡 的，本領域技術人員應當理解，在不脫離本發明範圍的前提下，等同 的結構可以替代所引述的結構。
權利要求
1、一種製造具有一個或多個量子點層以及一個或多個勢壘層的光學器件的方法，所述方法包括在勢壘層上生長分隔層的步驟，其中，所述分隔層適於實質上阻擋由所述勢壘層感應的應變場。
2、 根據權利要求l所述的方法，其中，所生長的分隔層具有帶實 質上平滑表面的生長面。
3、 根據權利要求l所述的方法，其中，在所述分隔層上生長後續 勢壘層，其中，所述後續勢壘層具有帶平滑表面的生長面。
4、 根據權利要求l所述的方法，其中，InP材料的分隔層位於後續量子點層之間，並在使用中允許在量子點層之間通過隧穿效應進行耦 合。
5、 一種具有一個或多個量子點層以及一個或多個勢壘層的光學器件，所述光學器件還包括勢壘層上的分隔層，其中，所述分隔層 適於實質上阻擋由勢壘層感應的應變場。
6、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，所述光學器件可以具有兩個或更多個量子點層以及三個或更多個勢壘層。
7、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，所述分隔層具有實質上平滑的表面。
8、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，在所述分隔層上生長後續勢壘層，其中，所述後續勢壘層具有實質上平滑的表面。
9、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，所述分隔層由二元材料製成。
10、 根據權利要求9所述的光學器件，其中，所述二元材料是InP。
11、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，所述分隔層具有大 約3nm的厚度。
12、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，兩個後續量子點層 之間的間隔大約是5nm。
13、 根據權利要求5所述的光學器件，其中，InP材料的分隔層位 於後續量子點層之間，適於允許在量子點層之間通過隧穿效應進行耦
14、 一種用於執行光信號處理的單元，包括根據權利要求5所述的光學器件。
15、 根據權利要求14所述的單元，所述單元是時鐘恢復單元。
16、 根據權利要求14所述的單元，所述單元是光放大單元。
17、 根據權利要求14所述的單元，所述單元是波長轉換單元。
18、 根據權利要求14所述的單元，所述單元是信號處理單元。
全文摘要
本發明提供了一種製造光學器件的方法以及一種光學器件，該光學器件具有位於勢壘層(12)中間的一個或多個量子點層(13)。在勢壘層(12)上生長了分隔層(15)，以致分隔層(15)適於實質上阻擋由量子點層感應的應變場，從而針對後續勢壘層(12)產生平滑的生長面。
文檔編號H01S5/50GK101609960SQ20091014753
公開日2009年12月23日 申請日期2009年6月18日 優先權日2008年6月19日
發明者弗朗索瓦·勒拉爾熱, 弗朗西斯·普安特, 弗雷德裡克·波默羅, 羅曼·布勒諾, 邦雅曼·魯索, 阿蘭·阿卡爾 申請人:阿爾卡特朗訊