Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации - Семенов А.С.
ISBN 5-256-00738-6
Скачать (прямая ссылка):
Наличие на общей подложке электронных компонентов и активных ИО-устройств (модуляторов, лазеров и др.) требует обеспечения их электрической развязки. Для этого используют два основных варианта .построения схем — вертикальную и горизонтальную структуры- В первой из них используется проводящая полупроводниковая подложка, на которой выращиваются эпитаксиаль-ные слои оптических и электронных компонентов, а электрическая развязка между ними обеспечивается нанесением дополнительных изолирующих подслоев. В схемах с вертикальной структурой возможна емкостная связь между элементами из-за наличия общей проводящей подложки, поэтому этот вариант используют в оптоэлектронных схемах с небольшой степенью интеграции.
В горизонтальном варианте эпитаксиальные слои оптических и электронных компонентов наращиваются на изолирующей полупроводниковой подложке. Токи, подаваемые на элементы, протекают параллельно плоскости подложки, и емкостная связь между элементами не возникает. Электроды формируются на каждом элементе. Для улучшения электрической развязки между элементами полупроводниковые слои или стравливают до поверхности
6-42 161 волновода, что обеспечивает сопротивление между ними более 1 кОм, или подвергают протонной либо ионной обработке. Необходимость получения высоких ступенек' и мезаструктур для достижения электрической изоляции существенно усложняет процесс изготовления оптоэлектронных схем на основе горизонтальных структур.
Для стабилизации одномодового режима работы РОС-лазера разработана интегральная схема, оптически связывающая такой лазер с волноводным фазовым модулятором, размещенным между дифракционной решеткой лазера и торцом кристалла. Электрическая развязка лазера и модулятора обеспечивалась химическим стравливанием контактного слоя p-InGaAsP и слоев окружающих OB, вплоть до слоя р-1пР (рис. 6.12), и составляла 40 Ом. Инжек-ция носителей в модулирующий волновод изменяет его показатель преломления и, следовательно, фазу волны, отраженной от торца и попадающей в активную область лазера, что вызывает сдвиг частоты генерации лазера. Полученная плоская частотная характеристика (А/= 10~3... 3-IO2 МГц) может быть продлена в гигагерцевый диапазон при замене планарного электрода модулятора •полосковым. Ток инжекции РОС-лазера составлял 100 мА, опорный ток модулятора — 65 мА, смещение частоты— 1 .. 3 ГГц/мА. Данная схема может найти применение для частотной и фазовой модуляции излучения, а также как источник лазерного излучения с плавной подстройкой длины волны. Использовав эту же схему и точно подобрав состав четверного соединения модулирующего волновода для обеспечения максимального поглощения излучения на длине волны генерации лазера, можно создать внешний модулятор интенсивности излучения РОС-лазера. Достигнутая эффективность модуляции составляет 0,27 мВт/мА, предельная частота модуляции равняется 450 Мбит/с и может быть увеличена в несколько раз при использовании ,полоскового электрода [170].
Одним из важных функциональных узлов схем оптической обработки информации является комбинация лазера, фотоприемника и электронной схемы управления, которые могут использоваться для ретрансляции и регенерации поступающих оптических сигналов, контроля мощности излучения лазера, в качестве ИО-опт-рона и т. п. Конструкция функционального узла, состоящего из РОС-лазера, контрольного фотодетектора и двух полевых транзисторов, показана на рис. 6.13 [170]. Для достижения высокого быстродействия схемы необходимо иметь минимальные электри-
Рис. 6.12. РОС-лазер (J), оптически связанный с внешним модулятором (2) до (а) и после (б) химического травления
.162 Рис. 6.13. РОС-лазер (I), объединенный с фотоприемником (II) и двумя полевыми транзисторами (III): / —InP; 2 — /z-InGaAsP; 3 — п-InP; 4 — л-InGaAsP; 5 — InGaAsP; 6 — rc-lnP; 7 —p-InP; 8 — p-InP; 9 — SiO2; 10 — Ti/Au; 11 —Al
і 10 S
ческие емкости лазера, фотоприемника и подводящих контактов транзисторов, поэтому лазер и приемник изготавливались в виде узкой мезаполосковой структуры, а для полевых транзисторов использовался самосогласованный затвор. Методом жидкостной эпи-таксии на полуизолирующую подложку InP сначала наращивались контактный слой для транзисторов и-InGaAsP и слой и-1пР, затем создавалась решетка обратной связи лазера, на нее наращивались новые слои и формировалась мезаполосковая структура шириной 20 мкм при ширине контакта 10 мкм. Мез а структур а разделялась химическим травлением на две части, одна использовалась как лазер, другая как детектор. Пороговый ток лазера составлял 63 імА, а коэффициент преобразования фотодетектора—• 0,6 А/Вт при длине поглощающего участка 210 мкм. Входной электрический сигнал подавался на транзисторы полосковой линией на керамической подложке. Достигнута полоса модуляции (по уровню 3 дБ) А/=4 ГГц.
Еще более сложное устройство, состоящее из двух лазеров с плоскими резонаторами, двух контрольных фотодиодов и электронной схемы из 10 ПТ и трех резисторов, описано в [170]. Лазерная структура с активными квантоворазмерными слоями выращивалась методом химического осаждения металлоорганиче-ских соединений в канавке на полуизолирующей подложке GaAs. Наращенные слои затем стравливались до подложки всюду, кроме канавки. Такой способ изготовления лазерной структуры дает возможность довести высоту ступеньки между поверхностью подложки и лазером до 1 мкм и менее и использовать стандартную фотолитографическую технику для создания электронных схем. Плоскопараллельные зеркала изготавливались сухим травлением с хорошей воспроизводимостью. Электронные схемы формировались на подложке с помощью ионной имплантации. Три транзистора образовывали дифференциальную переключающую схему, остальные семь составляли схему усилителя-формирователя входных импульсных сигналов. Аналогичная оптоэлектронная схема изготавливается и на основе InGaAsP/InP.
