一种高功率半导体光放大器
阅读说明：本技术 一种高功率半导体光放大器 (High-power semiconductor optical amplifier ) 是由 杨明来 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高功率半导体光放大器,其特征在于,从上至下依次包括放大区电极、电极接触层、上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层、衬底层和N面电极区,所述放大区电极由锥形放大区P面电极、脊形单模放大区P面电极组成,所述锥形放大区P面电极与脊形单模放大区P面电极之间相互电绝缘。本发明提高了饱和输出功率和小信号增益,弥补了基于平板耦合外延结构散热差和增益低的问题,饱和输出功率可以提高到瓦级,小信号增益可以突破28dB。(The invention discloses a high-power semiconductor optical amplifier which is characterized by sequentially comprising an amplification area electrode, an electrode contact layer, an upper limiting layer, an upper waveguide layer, an active layer, a lower waveguide layer, a lower limiting layer, a substrate layer and an N-surface electrode region from top to bottom, wherein the amplification area electrode consists of a conical amplification area P-surface electrode and a ridge single-mode amplification area P-surface electrode, and the conical amplification area P-surface electrode and the ridge single-mode amplification area P-surface electrode are mutually electrically insulated. The invention improves the saturated output power and the small signal gain, makes up the problems of poor heat dissipation and low gain of a flat plate coupling epitaxial structure, improves the saturated output power to the watt level, and breaks through 28dB of the small signal gain.)
技术领域
本发明涉及一种高功率半导体光放大器。
背景技术
半导体光放大器在相当一段时间内，特别是在光纤通信中受到光纤放大器的严重挑战。光纤放大器的优势是可以直接与传输光纤进行低损耗的熔接，且有偏振相关性小、噪声指数低、输出功率高等优点，严重挤压了半导体光放大器在C+L波段的波分复用应用。
近年来，随着自由空间光通信、激光雷达等领域的飞速发展，半导体光放大器功耗低、尺寸小、成本低、与COMS工艺兼容、电泵浦结构简单、波长范围宽、抗辐照能力强等优势又得到人们广泛的关注。然而，传统的脊形单模半导体光放大器最大的缺点是饱和输出功率低，很难超过100mW，而半导体激光器在未经放大时输出功率已经能达到这个级别，加上光纤封装后的损耗使其微分增益也很小。为了满足自由空间光通信对瓦级光放大的需求，也满足片上集成激光雷达对远距离探测的需求，急需要瓦级高功率单模半导体光放大器。
然而，传统单模的脊形波导半导体光放大器的尺寸小，有源区光限制因子大，限制其输出功率约为100mW，而且小的模式尺寸需要用透镜来匹配输入输出单模光纤，增加了封装的复杂性。为了增加半导体光放大器的饱和输出功率，需要增加模式体积，降低微分增益，减小载流子寿命，降低波导损耗，通过优化有源区结构减少光场限制因子。因此，现有技术中又提出有基于平板耦合外延波导结构的和锥形放大结构两种，基于平板耦合外延结构一般将N波导层做到4-5um左右，以此来增加模式展宽，该结构有两方面缺点，一是厚的N波导层使得器件散热差；二是要使光场展宽到N波导层需要适当牺牲有源层量子阱对数，降低器件增益。锥形半导体光放大器一般通过增加有源区宽度来获得高饱和输出功率，但是这种结构会寄生出高阶模式，难以实现单模，而且其光斑模式依然难以与单模光纤尺寸相匹配。
因此，如何研制出高饱和输出功率、大尺寸单模光斑、高光束质量，且制造工艺简单、性能稳定、成本低的半导体光放大器是本领域技术人员急需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高功率半导体光放大器。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高功率半导体光放大器，其特征在于，从上至下依次包括放大区电极、电极接触层、上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层、衬底层和N面电极区，所述放大区电极由锥形放大区P面电极、脊形单模放大区P面电极组成，所述锥形放大区P面电极与脊形单模放大区P面电极之间相互电绝缘。
作为优选，所述有源层的折射率与上波导层的折射率的差值小于或者等于阈值A，所述阈值A为使光场强度分布由有源层展宽到上波导层的折射率差值，所述有源层的折射率与下波导层的折射率的差值小于或者等于阈值B，所述阈值B为使光场强度分布由有源层展宽到下波导层的折射率差值。即折射率差较大时，光场强度中心集中分布在有源层，当折射率差下降到一定值，光场强度中心展宽到上波导层或下波导层，此时的折射率差就是所谓的阈值A或阈值B。
作为优选，锥形放大区P面电极用于锥形放大器注入电流，所述脊形单模放大区P面电极用于脊形单模放大器注入电流。
作为优选，电极接触层为P型重掺杂区。
作为优选，上限制层为P型掺杂区，所述上波导层为P型掺杂区或部分P型掺杂区，所述有源层为无掺杂区，所述有源层由势垒和量子阱交替生长而成的多层结构，所述下波导层为N型掺杂区或部分N型掺杂区，所述下限制层为N型掺杂区，所述衬底层为N型重掺杂区，所述N面电极区为锥形放大器和脊形单模放大器的共面电极。
作为优选，锥形放大区P面电极与脊形单模放大区P面电极之间通过刻蚀或注入离子的方式实现电绝缘。
作为优选，放大区电极的顶部、N面电极区的底部都附有增透膜。
作为优选，增透膜的反射率小于0.01％。
本发明的有益效果如下：本发明提高了饱和输出功率和小信号增益，解决瓦级放大器散热问题及与单模光纤高效率耦合问题；本发明采用有源区弱波导结构，弥补了基于平板耦合外延结构散热差和增益低的问题，同时采用锥形放大区P面电极、脊形单模放大区P面电极的双节集成锥形放大结构，在确保放大器单模输出下提高了饱和输出功率和增益，本发明饱和输出功率可以提高到瓦级，小信号增益可以突破28dB，并在该结构的基础上提出一种基于透镜组合的单模光纤耦合方案，耦合效率大于50％。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明与单模光纤高效率耦合光路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1所示，一种高功率半导体光放大器，从上至下依次包括放大区电极11、电极接触层3、上限制层4、上波导层5、有源层6、下波导层7、下限制层8、衬底层9和N面电极区10，所述放大区电极11由锥形放大区P面电极1、脊形单模放大区P面电极2组成，所述锥形放大区P面电极1与脊形单模放大区P面电极2之间相互电绝缘。
如图1所示，所述有源层6的折射率与上波导层5的折射率的差值小于或者等于阈值A，所述阈值A为使光场强度分布由有源层6展宽到上波导层5的折射率差值，所述有源层6的折射率与下波导层7的折射率的差值小于或者等于阈值B，所述阈值B为使光场强度分布由有源层6展宽到下波导层7的折射率差值。
如图1所示，锥形放大区P面电极1用于锥形放大器注入电流，其下方锥形波导典型尺寸为窄端宽度为2-6μm，锥形口宽为250μm，锥形波长长度为1.5mm，能保证从脊形波导输入的光保持单模输出。所述脊形单模放大区P面电极2用于脊形单模放大器注入电流。脊形单模放大区P面电极2下方的脊形波导满足波导单模条件，即只有基模光场可以在波导中传播，其他高阶模都会损失掉，一般地，脊形区域宽度为2-6μm，脊形区域刻蚀到上波导层5，可以满足单模条件。
如图1所示，电极接触层3为P型重掺杂区，为锥形放大区P面电极1和脊形单模放大区P面电极2提供良好欧姆接触，其厚度为200-300nm。上限制层4为P型掺杂区，作为放大器上波导层5限制光从P面泄露出去，其厚度一般为1.4-1.8μm。所述上波导层5为P型掺杂区或部分P型掺杂区，上波导层5与有源层6和下波导层7共同组成放大器波导芯层，上波导层5厚度为400nm。
如图1所示，所述有源层6为无掺杂区，所述有源层6由势垒和量子阱交替生长而成的多层结构，量子阱为8nm，量子阱可以是1对或多对。所述下波导层7为N型掺杂区或部分N型掺杂区，其厚度为0.8-1.5μm，区别于平板耦合外延结构4-5μm的厚度，也区别于有源区高限制因子结构的下波导层。所述下限制层8为N型掺杂区，作为放大器下波导层7限制光从N面泄漏出去。所述衬底层9为N型重掺杂区，为双节放大器N面电极区10提供良好欧姆接触。所述N面电极区10为锥形放大器和脊形单模放大器的共面电极。
如图1所示，锥形放大区P面电极1与脊形单模放大区P面电极2之间通过刻蚀或注入离子的方式实现电绝缘，放大区电极11的顶部、N面电极区10的底部都附有增透膜，增透膜的反射率小于0.01％。
本发明采用有源区弱波导技术，提高了半导体光放大器饱和输出功率，利用集成双节锥形结构增加了半导体光放大器增益，利用单模脊形部分的模式限制和锥形区域的光场热聚焦效应使得锥形部分能继续保持单模输出，利用快慢轴准直镜和聚焦透镜能高效率将输出光耦合进单模光纤。
在实际应用中，可以将本发明的单模光纤耦合方案进行设计，从而得到具体应用方式，其结构如图2所示，从左至右依次包括单模锥形透镜光纤101、高功率半导体光放大器102、快轴准直镜103、慢轴准直镜104、光隔离器105、聚焦透镜106和带光纤准直器的单模光纤107。
如图2所示，上述单模锥形透镜光纤101涂有抗辐射涂层，作用是将种子源的光经过透镜光纤聚焦后高效耦合进高功率半导体光放大器102的脊形单模波导中；
如图2所示，上述高功率半导体光放大器102，分为脊形单模放大区和锥形放大区，脊形单模放大区对小信号提供高增益并保持单模输出到锥形放大区，锥形放大区进一步将光信号放大，锥形角度≤10.4°，可以维持单模输出；
如图2所示，上述快轴准直镜103涂有抗辐射涂层，将快轴发散光(即Y方向)变成准直光输出；
如图2所示，上述慢轴准直镜104涂有抗辐射涂层，将慢轴发散光(即X方向)变成准直光输出；
如图2所示，上述光隔离器105涂有抗辐射涂层，防止光反射回单片集成式双节半导体光放大器中；
如图2所示，上述聚焦透镜106涂有抗辐射涂层，将快慢轴准直光汇聚到带光纤准直器的单模光纤107中；
如图2所示，上述带光纤准直器的单模光纤107，光纤头涂有抗辐射涂层，汇聚光并输出。
本具体应用方式中，上述快轴准直镜103的数值孔径应大于高功率半导体光放大器102输出端在快轴的数值孔径，快轴准直镜103的光束直径D1应该满足D1≥2×d1×NAf，其中d1是透镜焦距，NAf是高功率半导体光放大器102快轴数值孔径，确保快轴光束能够被完全收集并汇聚输出，特别的，因为快轴发散角远大于慢轴发散角，因此快轴准直镜103可以有部分汇聚慢轴发散角的功能。同样的，上述慢轴准直镜104的数值孔径应大于高功率半导体光放大器102输出端在快轴的数值孔径，慢轴准直镜104的光束直径D2应该满足D2≥2×d2×NAs，其中d2是透镜焦距，NAs是高功率半导体光放大器102慢轴数值孔径，确保慢轴光束能够被完全收集并汇聚输出。上述透镜组合需要与高功率半导体光放大器102的增益带宽范围相匹配，比如高功率半导体光放大器102的增益带宽范围为1500-1580nm，上述单模锥形透镜光纤101、快轴准直镜103、慢轴准直镜104、聚焦透镜106和带光纤准直器的单模光纤107需要镀包含波长1500-1580nm的增透膜，保证在此范围有最小的反射，光隔离器105应保证有大于该波长范围的工作波长。该具体应用方式最大的优点是能在保证高功率半导体光放大器102高饱和输出功率和高增益的条件下与单模光纤高效率耦合，耦合效率大于50％。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
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