用于集成光子器件的监控光检测器的制作方法

专利名称：用于集成光子器件的监控光检测器的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及光子器件，尤其涉及改进包括监控光检测器的单片集成光 子器件及其制造方法。
背景技术：
许多光学系统(比如那些包括或利用无源光网络(PON)的光学系统)都 要求使用单个光纤以多个波长发送并接收信息。在过去，这种能力很难实现， 特别是很难以成本合适的方式实现，因为多个全要接入单个光纤的分立光子器 件的组合呈现出一些制造方面的问题，使得这种装置太昂贵。PON系统的市场 对价格极为敏感，其结果是，这种网络可以实现的高度期望且范围较广的功能 目前在经济方面尚不可行。在其它光学系统(比如高分辨率DVD的光学系统) 中使用多个光子器件时也遇到了相似的困难，因为即使在这种应用中，通过使 用分立的光子器件，也不容易获得所要求的高水平功能。
因为像激光器这样的光子器件往往随环境条件的变化而改变其特征，所以 期望监控其工作状况，但是当使用分立的器件时，尤其当这些器件极小时，这 种监控不太容易实现。

发明内容
根据本发明的一个方面，固态光接收和光发射光子器件以单片方式集成到 一个公共的基片上从而在单个芯片的表面上提供多种光学功能。通过多层外 延，来优化这些器件的集成从而提供双向光子操作，其中在单个芯片上分开的
台面结构上可以制造激光器和检测器从而使激光器和检测器高效耦合到单个 光纤。根据本发明的另一个方面，以这样一种方式在单个芯片上制造多个光发 射器和多个光检测器，从而允许多个发射器和多个检测器耦合到单个光纤。这
些发射器可以是在芯片的表面上制造的表面发射器件，比如2004年10月5曰 提交的美国申请10/958,069中或2004年10月14日提交的申请10/963,739中 所描述的那些，这些申请引用在此作为参考；或者这些发射器可以是在芯片上 制造的边缘发射激光器，比如美国专利4,851,368中或1992年5月的IEEE Journal of Quantum Electronics的巻28第1227-1231页所描述的那些，其全部激 光输出都耦合到共同的光纤中。这些检测器也被制造在同一个芯片上，并且可 以是耦合到同一个光纤以便接收来自该光纤的光信号的表面或边缘接收器件。 在本发明的较佳形式中，每一个激光器都以不同的波长来发光，每一个检测器 接收不同波长的光，这些波长与所发射的光的波长不同。
根据本发明的另一个方面，固态光发射和接收光子器件(比如激光器和光 检测器)以单片方式集成到一个公共的基片上，就像上文所描述的那样，并且 还包括至少一个监控检测器，该监控检测器定位成用于接收来自基片上相应的 光发射器的光。监控检测器可以整体地制造于基片上，并且可以与发射器轴向 对齐，或者在本发明的较佳形式中可以是一种表面接收检测器，它具有合适的 偏转器从而将来自发射器的光引导至检测器。
简要地讲，在其较佳的形式中，本发明包括 一个或多个光子器件，这包 括激光发射器和光检测器；以及一个或多个相应的半导体监控检测器结构，它 们都被制造在单个芯片上。光子器件被制造在基片上叠加的层中外延沉积的半 导体结构之中，并且包括至少一个外延沉积的检测器结构，发射器结构就被外 延沉积在顶部检测器结构上。蚀刻这些结构以形成 一个或多个发射器台面结 构，其中包括表面或边缘发射激光器以便将所发射的光引导至光纤； 一个或多 个光检测器台面结构，其中包括表面或边缘接收检测器以便接收来自光纤的 光；以及表面或边缘接收监控检测器，用于接收来自发射器的光。反射器、偏 转器、棱镜、光栅或其它衍射元件、罩子和/或透镜也可以被整体地制造在基片 上或者位于芯片旁边以便按要求引导所发射或接收的光。
在本发明的一个形式中，单片集成光子芯片包括一个承载半导体检测器外
延结构的基片，利用已知的沉积技术将半导体激光器结构外延地沉积在检测器
结构上。就像通过蚀刻那样，水平腔面发射激光器(HCSEL)被制造在发射器结
构中，并且被隔离槽围绕着，隔离槽是通过蚀刻穿透检测器结构到达基片而形 成的。就像通过蚀刻掉覆盖的激光器结构那样，靠近激光器的检测器结构的表 面被暴露出来，以形成检测器接收器表面，该表面围绕着激光器的发射端并且 通过沟槽与其间隔开，使得激光器和检测器在同一基片上形成分开的台面结 构。激光器的表面上的金属层提供了电接触，该电接触用于向激光器结构施加 合适的偏压从而产生已知波长的激光。表面发射激光器充当光源，朝上引导光 束使其穿过外部透镜到达外部光纤。光纤也可以朝着芯片引导第二波长的光， 同时，这种接收到的光向下穿过透镜。因为接收到的光具有与激光器所发射的 光不同的波长，所以透镜不会将接收到的光往回聚焦到激光器中，但是进来的 光就被透镜引导至激光光源的周围的区域，在那儿它被检测器结构接收。
在本发明的另一个实施方式中，单片集成芯片包括两个叠加的外延沉积的 检测器结构，同时单个发射器层叠加在顶部检测器结构上。就像通过蚀刻那样， 表面发射激光器被制造在芯片上的激光器结构中所形成的台面结构上，并且 通过沟槽与周围的检测器台面结构隔离开。然后，从周围的双结构检测器台面 结构的表面，除去围绕着激光器台面结构的发射器层。激光器可以被赋能从而 发射第一波长的光，可以引导该光穿过透镜到达光纤，就像上文所述那样。然 而，在本实施方式中，两个检测器结构能够分别接收来自光纤的第二和第三波 长的光。在发射器末端周围以及沿着表面发射激光器的侧面提供检测器台面结 构从而基本上围绕着激光器的发射器末端，这样会优化激光器和检测器到单个 光纤的双向耦合。第一检测器可以被设计成吸收与激光器输出相对应的波长， 由此提高激光器和第二检测器之间的光学隔离。
在本发明的另一个实施方式中，光子芯片包括位于芯片一端的表面发射激 光器，还包括位于芯片另一端的表面接收检测器。外部组件可以与这个光子芯 片一起使用以允许来自激光器的光耦合到光纤，同时来自同一光纤的光可以被 引导至表面接收检测器或被引导至多个表面接收检测器。
在本发明的另一个实施方式中，在一个芯片上的激光器结构阵列中的单个 台面结构上，可以并排制造多个表面发射激光器，同时该阵列中的每一个激光 。按相似的方式，在检测器结构中的多个单独的台面结构 上，可以并排制造多个单独的检测器，同时每一个检测器能够接收不同波长的 光。通过外部衍射元件(比如棱镜)以及合适的透镜(若需要的话)，发射器 和检测器可以光学地耦合到单个光纤。
在本发明的单片集成双向光子器件的制造过程中，也可以使用边缘发射激
光器以及表面接收或边缘接收检测器。在一个这样的实施方式中，边缘发射激 光器被制造在激光器结构中的台面结构上，反射器被制造在激光出射刻面旁边 的激光器结构中，从而垂直向上引导所发射的第一波长的光。反射器可以包括 平的或弯的反射器表面以向上引导光线使其穿过外部透镜到达光纤。反射器被 露出的表面接收检测器结构围绕着，该表面接收检测器结构位于一个与激光器 台面结构分开的台面结构上并且接收来自光纤的第二波长的光。在另一个实施 方式中，反射器表面包括二向色涂层，它反射第一波长的激光，但使接收到的 第二波长的光穿过反射器体达到下面的检测器结构。
在芯片上的激光器结构中，可以按阵列制造多个边缘发射激光器，从而借 助于衍射元件(比如棱镜或光栅)将相应波长的光引导至外部光纤。根据本发 明，该阵列也可以包括多个末端接收检测器，这些检测器被制造在检测器结构 中分开的台面结构上并且被安排成接收来自光纤的不同频率的光，由此提供了 激光器和检测器通道的单片集成阵列。
在上述实施方式中，每一个激光器器件可以具有监控光检测器(MPD)以检
测由其相应的激光器产生的光的强度。MPD可以被制造在激光器外延层中且与
激光器的光轴对齐，或者可以被制造成位于检测器外延层中的表面接收检测 器。在后一种情况下，可以提供合适的光偏转器或罩子以便将发射的激光引导
至MPD的表面上。


结合附图，从本发明的较佳实施方式的详细描述中，本发明的上述和其它
目的、特点和优点都将变得明显，其中
图1示出了两层外延芯片结构，它包括位于基片上的激光器外延结构和检 测器外延结构；
图2示出了根据本发明第一实施方式的单片集成光子器件的侧视图，其中 包括在激光器外延层中制造的表面发射激光器、在检测器外延层中制造的表面 接收检测器以及穿过图1的芯片的两个外延层的监控光检测器；
图3是图2的器件的顶部平面图4示出了三层外延芯片结构，它包括位于基片上的一个外延激光器结构 以及两个检测器外延结构；
图5是根据本发明另一个实施方式的单片集成光子器件的侧视图，其中包 括在图4的芯片的激光器结构中制造的一个表面发射激光器以及在检测器结构 中制造的两个表面接收检测器；
图6是根据本发明另一个实施方式的单片集成光子器件的顶部平面图，其 中包括位于同一芯片上相应的激光器和检测器外延结构中的表面发射激光器 阵列和表面接收检测器阵列；
图7是与外部棱镜和透镜相结合的图6的器件的侧视图；这种结合是为了 将芯片上的激光器和检测器光耦合到光纤；
图8是根据本发明另一个实施方式的单片集成光子器件的侧视图，其中包 括在图1的芯片的激光器外延结构中制造的边缘发射激光器以及在检测器外延 结构中制造的表面接收检测器，其中还包括用于使激光边缘发射的光重新定向 的偏转器；
图9是图8的器件的一个修改形式的侧视图，其中包括具有曲面的偏转器； 图10是图9的器件的顶部平面图11是图8的光子器件的一个修改形式的侧视图，其中偏转器包括二向 色涂层，该涂层反射激光器所发射的光并且使从外部源接收到的光穿过偏转器 体到达下面的检测器结构；
图12是图11的器件的顶部平面图13是用于图11的器件的二向色滤光片的一个示例的反射特征的图； 图14是单片集成光子器件的顶部平面图，其中包括通过棱镜耦合到外部
光纤的边缘发射激光器和边缘接收检测器的阵列；
图15是是单片集成光子器件的顶部平面图，其中包括通过光栅耦合到外
部光纤的边缘发射激光器和边缘接收检测器的阵列；
图16是光子器件(比如图8所示的那种)经修改从而包括在检测器外延 结构中所制造的表面接收监控光检测器(MPD)的侧视图； 图17是图16的器件的顶部平面图18是图16的器件的修改形式的侧视图，其中包括带有光-偏转器罩子的
表面接收MPD;
图19是图16的器件的另一个实施方式的侧视图20是具有外部组件的分为两个部分的芯片的侧视图；以及
图21是用集成光子芯片和外部组件构成的三工器的侧视图。
具体实施例方式
现在来看本发明的详细描述，图l示出了两层外延芯片10，其中包括位于 基片16上且彼此相互叠加的第一和第二外延层或结构12和14。第一结构或光 子元件12是按常规方式外延沉积在基片上的半导体材料从而形成对选定波带 的光敏感的光检测器。第二结构或光子元件14是按常规方式外延沉积在第一 结构12上的另一种半导体材料。第二结构包括有源区域，从中可以制造出激
光器o
如本领域所知，基片16上的结构可以由恰当掺杂过的III-V化合物或其合 金构成。结构12可以是通过像金属有机化学汽相沉积(MOCVD)或分子束外延 (MBE)这样的外延沉积工艺沉积而成的一系列层。通常，这些结构可以包括下 列位于InP基片上的层p掺杂InP缓冲层；p掺杂InGaAs的p接触层；p掺 杂InP过渡层；未掺杂的、或未故意掺杂的、或非常轻微掺杂的InGaAs检测 层；n掺杂InP层；以及n掺杂InGaAs的n接触层。InP基片可以是掺Fe的那 种类型，使得它是半绝缘的(SI)以允许在同一基片上所制造的期望的器件之 间有良好的电绝缘。
第二结构14也可以是通过MOCVD或MBE工艺在结构12的顶面上沉积 的一系列的层，从而形成了一个包括有源区域的光学腔。尽管根据本发明可以 制造其它类型的激光器腔，但是为了方便本文将以脊形激光器(ridge laser)为 例来描述本发明。对于固态脊形激光器而言典型的是，外延结构14包括由低 折射率半导体材料构成的上包层区域和下包层区域，其折射率低于中心有源区
域所用材料的折射率。这些包层区域可以由InP构成，而中心有源区域可以由 基于InAlInGaAs的量子阱和势垒构成。在顶部包层区域上可以形成InGaAsP 的过渡层，之后是位于结构14的顶部之上的p掺杂InGaAs接触层。接触层为 顶部金属层提供了欧姆接触，在结构14上沉积顶部金属层是为了将该器件连 接到偏压源。
外延结构12和14可以共用一些沉积的层，使得这些结构之间的界面对于 两者是共用的。或者，结构12中的掺杂剂可以相反，使得在基片(比如Si-InP 基片)上首先沉积具有n掺杂剂的层。所描述的层允许在结构12中制造出高 灵敏度的检测器，比如p-i-n二极管检测器和雪崩光检测器，它们将在特定的波 长范围或波带中工作；还允许在结构14中制造出表面或边缘发射激光器，它 们能够发射选定波长的光。
在本发明的第一实施方式中，如图2和3所示，单片光子器件或芯片20 包括在芯片10的各个结构12和14中分开的台面结构中单片地制造的一体式 激光器22和一体式检测器24。为了提高电隔离，在半绝缘的基片的情况下， 期望通过蚀刻穿透外延层到达基片从而形成台面结构。通过常规的掩模和蚀刻 技术在结构14中形成激光器22从而产生包括细长的水平脊形光学腔体HCSEL 器件，该腔体具有顶面26、台面结构侧壁28和30 (参照图3)以及第一和第 二末端32和34。在第一末端32处形成倾斜的全内反射刻面35以便向上引导 在激光器22的有源区域36中传播的光并且使该光通过顶部发射表面从激光器 光学腔体中出来。光学腔体的第二末端34由垂直反射刻面构成以便允许在光 学腔体中产生激光。通过以相对于顶面26成45度角或接近45度角向下且向 内蚀刻上述结构14，制造出在末端32处的倾斜的刻面35，并且使沿着光学腔 体的光轴而产生的光在一个基本上垂直于表面26的方向上发射并且发射到水 平激光器的有源材料的平面36，所发射的光束在箭头37所示的方向上向上前 进。所发射的光因腔体内的反射而在一角度上发射，输出光束的限制通常由箭 头38指示。在这种安排下，激光器22和光检测器24彼此电隔离且光隔离， 下文会对此进行解释。
激光器的第二末端34的端面与激光器腔体22的纵向光轴成90°角。在激 光器的第二末端附近是监控光检测器(MPD) 40，监控光检测器(MPD) 40是在遮
蔽且蚀刻激光器光学腔体22以形成脊42的同时通过常规遮蔽和蚀刻工艺在激
光器外延结构14中形成的。脊形激光器在结构14中的有源区域36之上的末 端32和34之间延伸，如图3中的44处所示，该脊在激光器的发射器末端处 被增宽以提供一个位于倾斜的刻面35之上的开放区域从而允许所发射的光束 37 (它可以是圆的或椭圆的)从光学腔体中出射而并不失真。脊的顶部涂有导 电材料46(比如金属)以允许用合适的偏压对激光器进行赋能。这种导电的或 金属化的层通常被涂敷在激光器结构的顶层之上，如上所述，该顶层可以是低 带隙半导体(比如InGaAs)，它允许与金属化的层形成欧姆接触。在结构14 的顶层中可以按需要形成孔径48，以除去可能吸收所发射的光的材料。
作为形成激光器22和MPD 40的遮蔽和蚀刻工艺的一部分，也制造了检 测器24。如图所示，位于激光器22周围的光检测器外延结构12上方的结构 14的一部分被除去从而露出结构12的顶面50。然后，在紧靠着且围绕着激光 器22的区域中，进一步蚀刻结构12以形成沟槽52 (图3)，该沟槽52将激 光器22与光检测器结构12分开。沟槽52向下延伸到基片16 (最好延伸较短 的距离)从而在基片上产生分开的激光器和检测器台面结构。通过除去层12 的后面一部分从而将检测器台面结构限制为围绕着刻面35上方的发射表面的 区域(如图2和3所示)，检测器24可以被进一步定形。
通过透镜62，来自光子器件20的光输出37可以耦合到外部接收器/源(比 如光纤60)。因为色差的缘故，这种透镜将聚焦特定波长的光，但不会聚焦不 同波长的光。本发明利用这种能力将激光器22所产生的输出光37 (它可能是 波长为1310 nm的光束)聚焦到光纤60的末端，就像箭头38和64所示。与 输出光波长不同的输入光66 (比如1490 nm)可以被光纤60接收，并且将被 引导至透镜62，就像箭头64所示。因为其波长的缘故，该接收到的光不被透 镜62密集地聚焦，就像光束限制箭头70所示的那样。结果，输入光不被聚焦 到激光器22的发射器末端上，而是扩散开并入射到区域72中的检测器50的 顶面上，就像图3中的虚线所示的那样。激光器和检测器台面结构的较佳设计 可使激光器的发射器区域基本上处于检测器50的中心，但通过沟槽52而与其 分开。
即使输入光66与输出光37的波长基本上相同，例如都是大约1310nm，
激光器和光纤之间通过透镜进行耦合的过程中的失配使检测器50上的光检测 可行。
图4示出了本发明的第二实施方式，其中芯片78包括三个外延层或结构， 即检测器80和82以及激光器84,它们都被制造在基片86上。如上文参照图 2所述制造出层84从而在与基片的顶面相平行的平面中包括一个有源区域，而 层82和80则用不同带隙来制造从而形成响应于选定波长的光的光检测器。这 些半导体结构可以共用一些层以促进该器件的制造过程。例如，在检测器层80 和82之间，可以引入高度掺杂的半导体层从而提供一接地层以提高电隔离和 高速性能。
如图5所示，以上文参照图2和3的器件所描述的方式，从芯片78中制 造出单片集成光子器件90。在这种情况下，在激光器结构84中制造出HCSEL 激光器波导或腔体92，就像通过遮蔽和蚀刻形成沟槽(比如图3中的沟槽52) 那样，从而向下延伸穿过检测器结构80和82到达基片86的顶部，使得激光 器92和周围的检测器都定位于分开的台面结构上。蚀刻激光器92的发射器末 端从而形成倾斜的刻面94，该刻面94向上反射在激光器中传播的光并且使其 从激光器的顶面出来。所发射的光束96 (它可能是发散的，如限制箭头98所 示)被向上引导至透镜100，透镜100收集光并将其聚焦到输入/输出器件102 (比如光纤)，如箭头104所示。
在激光器92的形成过程中，从检测器结构82的顶层110中除去激光器结 构或层84，从而在激光器的发射器末端的周围区域中定形并露出表面接收检测 器层80和82的顶面。光子器件90从光纤102接收到的输入光束114具有与 所发射的光束96不同的波长，相应地，透镜100不会将其往回聚焦到刻面94， 但是透镜将其引导至检测器结构82的表面110，如箭头114所示，且如参照图 2和3所描述的那样。通过连接到检测器82的电极(未示出)，检测器结构 82响应于该接收到的光束的波长而产生合适的输出。另外，光子器件90可以 响应于光纤102所支持的另一个波长的第二输入光束116。透镜IOO将该第二 输入光束引导至检测器结构82的顶面110，如箭头116所示，但是该检测器表 面82对它没有响应。相反，第二光束穿透结构82到达下面的检测器结构80 (它接收光束，就像箭头116所示那样)，并且响应于它以便在合适的电极(未
示出)上产生相应的输出。
光子器件90 (它可被称为三工器)可以发射波长介于1310nm ± 40 nm范 围中的光，而检测器层80和82的带隙可以被选定为使得检测器80响应于波 长介于1550 nm± 10nm范围中的光，检测器82接收1490 nm ± 10nm范围中 的光。为此，检测器82的带隙可以被选定为检测1520 nm以下的光，使得波 长更长的光将穿透它到达下面的检测器结构80。检测器结构80可以是宽带检 测器或带隙经优化的检测器以便接收其波长低于1580 nm的光。通过使用检测 器82阻挡来自激光器92的不想要的光从而防止这种光到达检测器80，这种检 测器结构也可以被用于提供在激光器92和检测器80之间经提高的光隔离。例 如，如果激光器发射波长为1310nm±40nm的光，则检测器82中未掺杂的或 未故意掺杂的或轻度掺杂的检测层将具有一带隙，通过InGaAsP而形成，被设 计成在器件90的工作温度范围中捕获波长比1350nm短的光，这将阻止该激光 器输出到达探测器80。然而，在本示例中，如果输入光116的波长约为1490 nm 土10nm，则它将穿过检测器82而不被检测到，并且将到达检测器80并被检测 到。检测器80中未惨杂的或未故意掺杂的或轻度掺杂的检测层的带隙可以由 InGaAs构成。
尽管上述实施方式显示出单个激光器发射器位置以及围绕着激光器发射 器的单个检测器位置，但是很明显，本发明的一体式光子器件可以包括位于单 个芯片上的多个激光器位置和多个检测器位置，例如，如图6的顶部平面图所 示。在该图中，光子芯片130包括水平腔体表面发射激光器的阵列132，比如 HCSEL激光器134、 136、 138和140，它们都被制造在外延激光器结构中。这 些激光器被显示成构成大致平行的发光通道，尽管也可以使用其它芯片构架。 较佳地，这些HCSEL激光器的各个发射器表面142、 144、 146和148聚在一 起以便于通过合适的外部光学器件(比如棱镜152以及透镜154和155)向上 将其输出光引导至公共的输入/输出光纤150。
芯片130可以包括在每一个激光器的发射末端周围制造的表面接收检测器 以便接收来自光纤150的光，其方式与上文参照图l-5所描述的相同。或者， 如图6所示，表面接收检测器162、 164、 166和168的阵列160可以被设置在 与发射器相邻的位置并且聚在一起以便于接收来自输入/输出光纤150的输入光。此处，芯片的表面构架可以不同于该图所示的那种。
如图所示，可以提供MPD器件以监控芯片130上的每一个激光器，就像
172、 174、 176和178处所示，并且可以按要求以已知的方式在芯片130的表 面上提供合适的接合焊点180和接地线路182。就像在前面的本发明实施方式 中那样，在第一外延结构中单片地制造激光器132，而在同一基片上的第二外 延结构中制造出检测器。阵列132中的每一个激光器可以被制造成发射不同波 带中的光；例如，表面发射激光器134、 136、 138和140可以发射其波长分别 为1470 nm、 1490 nm、 1510 nm和1530 nm的光。相似的是，检测器162、 164、 166和168可以检测其波带分别为1550 nm、 1570 nm、 1590 nm和1610 nm的 光。
为了在阵列132中的若干个激光器之间具有较大的波长变化以便用在像粗
波分复用(CWDM)这样的应用中(其中相邻CWDM信道之间的信道间隔约为
20 nm)，激光器结构的有源区域(它是上述第一或顶部外延结构)需要修改
其带隙以便允许针对激光器阵列制造出具有合适波长的激光器。这是通过许多
己知的形成第一外延结构的工艺中的一种而实现的；例如，通过无杂质空穴扩
散或通过多次外延沉积。
本发明的单片集成发射器和检测器可以被制造成具有表面接收检测器的
边缘发射激光器(EEL)，其方式与图8-15所示的相同，现在参照图8-15。如图 8的侧面图所示，这种激光器/检测器芯片200较佳地包括边缘发射器激光器 202，它可以是法布里波罗(FP)激光器，它被制造在外延激光器层204中；以及 表面接收检测器206，它被制造在外延检测器层208中，激光器和检测器都形 成于基片210上。激光器和检测器最好是通过上述遮蔽和蚀刻技术而形成的， 差别在于，在这种配置中，反射基底元件212被设置在激光器附近并且与其光 轴对齐，但是与激光器202 —端处的发射器刻面214间隔开。因为这是一个边 缘发射激光器，所以刻面214垂直于基片210的表面。
基底元件212可以包括在激光器202的有源区域处与其光轴218对齐的平 的反射表面216，或者可以包括与轴218对齐的弯的反射表面220，如图9所 示。表面216或表面220使激光器202的刻面214所发射的光束230偏转，且 使其穿过合适的外部光学器件(比如透镜232)到达光纤234。通过半导体激 光器和光检测器层的光刻和蚀刻，可以制造出基底元件212以及表面216和 220。如图10所示，就像通过蚀刻那样，检测器层206被定形以便围绕着基底 元件212，使得透镜232将从光纤234中接收到的光244引导至虚线246 (图 10)所示区域中的检测器的表面上，其方式与上文参照图l-5所描述的相同。
通过上升工艺(lift-offprocess)对硅进行电子束沉积，也可以制造基底元 件212，以便在检测器层206的顶部设置一个方便的结构从而在与芯片表面相 垂直的方向上反射EEL 202的输出。
在图11的光子器件248中，示出了另一个备选方案，其中边缘发射激光 器250与基片254上的表面接收光检测器252集成到一起，同时反射基底元件 256被安装在检测器的表面上或被定位在该表面上方。基底元件256包括平的 或弯的表面260以及位于表面260之上的二向色滤光片。该滤光片可以是位于 表面260上的多层涂层，它被设计成反射一个波带且允许另一个波带通过。例 如，从激光器250的刻面266发射的光束264可以具有1310 nm ± 40 nm的波 带，并且可以大致是s偏振的。光束264被引导至滤光片262的表面上，该表 面与激光器的光轴成45度角，并且通过外部光学器件266 (比如透镜)将光束 264几乎全部向上反射至光纤268。从光纤引导至光子器件248的输入光270 可以具有1490 nm± 10nm的波带。以45度角将该光引导至滤光片262，但是 该波长的光几乎全部透射过滤光片并且穿过基底256到达检测器252。如图12 的顶视图所示，接收到的光270被引导至光子检测器252的部分之上，即虚线 272之内。这包括在基底元件256下方的区域以提供更大的检测面积，由此对 接收到的光的灵敏度更大。
图13中的曲线280和282示出了典型的二向色滤光片的反射对波长行为。 在这种情况下，基底元件是InP，并且外部介质是空气，通过使用常规设计技 术，利用九个层来制造该滤光片。
图14和15示出了集成在芯片上的边缘发射激光器和边缘接收检测器的阵 列，这些芯片具有芯片上的光学元件(比如透镜和棱镜)。在图14中，在同 一基片上的各个外延激光器和检测器结构中，制造出边缘发射激光器的阵列 290和边缘接收检测器的阵列292。利用美国专利6,6532,44中所描述的工艺， 将芯片上的透镜294和296以及棱镜298制造成与阵列290和292中的激光器
和检测器的光轴对齐，从而将激光器发射的光300引导至光纤302。类似地， 这些光学元件将从光纤302收到的光引导至阵列292的检测器。或者，如图15 所示，芯片上的棱镜298被芯片上的光栅306替代，从而使紧密间隔的波长有 更大程度的分散。通过修改芯片的构架，可以在同一个第一外延结构上形成用 于不同光波长的紧密间隔的激光器通道的其它阵列。
图16示出了上述光子器件的修改形式。在上述器件中，监控光检测器(MPD) 被显示在激光器腔体的一端处且与激光器的光轴对齐，并且由与激光器相同的 材料单片地制成。由此，例如，在图8的器件中，在激光器外延层204中，制 造了 MPD310。如图所示，监控光检测器包括一个有源区域312，它与光轴218 处的激光器的有源区域对齐，并且是通过用于制造激光器202的光刻和蚀刻工 艺在层204中制造出的。相应地，MPD包括蚀刻的刻面314，它与激光器的后 蚀刻刻面316间隔开且基本上平行。尽管后刻面316通常是高度反射的以便在 激光器腔体202中产生激光，但是一些光被发射且照射到刻面314上。这种光 被MPD器件310检测到，从而在连接到接触层318和320的合适的电极(未 示出)上产生相应的输出。如图所示，通过垂直蚀刻穿透激光器外延层204和 检测器外延层208，制造出MPD器件，从而使MPD与激光器分隔开，就像图 10的顶部平面图所示那样。如图8所示，为了防止吸收来自接触层320中的光 纤224的输入光，已从下面的基底元件212除去了该层。
在图16的实施方式中，光子器件330包括在激光器外延层(比如图l所 示芯片结构10的层14)中制造的激光器332，这是通过上述光刻和蚀刻工艺 制造的。该层可以是表面发射激光器，比如图2、 3、 5和6所描述的那些；或 者可以是边缘发射激光器，比如图8-12、 14和15所示的那些；并且可以包括 任何期望的光学系统，比如偏转器334和透镜336以便将激光器所发射的光(就 像来自刻面338)转移到外部光学系统(比如光纤340)。当被用在同一基片 344上的单片激光器-检测器光子器件中时，光子器件可以包括在激光器的发射 器处的单片检测器，比如检测器342。
根据图16的实施方式，上述实施方式所示的MPD被修改成利用检测器外 延层12 (图1)以便监控激光器332的工作情况，而非利用激光器外延层14。 如图所示，光子器件330包括MPD 350，通过蚀刻掉激光器外延层14露出层 12的顶面352从而在检测器外延层12中制造出台面结构的MPD 350。该顶面 处于层12的有源p-i-n区域354处，它对入射光很敏感从而在连接到MPD 350 的合适的电极(未示出)上产生电输出信号。该配置能够检测从激光器的后刻 面358发射的少量的光。如箭头356所示。该光如图所示发散，但是充足的光 到达MPD 350的顶面352，以允许有效地监控激光器332所产生的光的强度。
当制造MPD时，使用蚀刻除去位于顶面区域352上的激光器层14，还除 去MPD周围的检测器外延层12以便将它与激光器隔离开，如图17所示。较 佳地，该蚀刻步骤与激光器332、偏转器334和检测器342的蚀刻同步地进行， 使得在基片上单片地制造光子器件。检测器342和MPD 350都是在层12中制 造的，最好是同时制造，从而为光子器件330提供了两个光敏表面检测器。图 16示出了图8中所用技术的备选技术，在发射器末端，p-i-n区域354的接触层 并未被从下面的偏转器334中除去，但是在本实施方式中使它保持较薄从而防 止来自光纤340的输入光有可观的吸收。
图18中的360处示出了用于图16的光子器件330的更敏感的MPD，其中 相似的元件被相似地标号。在本修改中，为MPD 350提供了一个罩子362以便 保护p-i-n有源区域354并且将从刻面358发散的光中更多的一部分引导至表面 352。罩子是弯的，并且从激光器结构332的顶面364附近延伸到MPD 350的 最远边缘366附近，其弯曲情况是凹向MPD表面以便按虚线箭头368所示引 导所发射的光。
罩子是由聚酰亚胺370制成的，比如Photoneece PWDC-1000光敏聚酰 亚胺，它对激光器332的发射波长是基本透明的，这种聚酰亚胺被沉积、图形 化和固化。在聚酰亚胺的固化过程中，它变得圆整(如图所示)，从而产生连 续弯曲的表面。然后，罩子的表面被涂上金属层372以提供一个反射凹面从而 将刻面358所发射的光引导至MPD 350。由此，罩子将所发射的光引导至表面 352以便由MPD 350使其偏转，从而针对激光器332中所产生的光的强度，提 供一个灵敏的监控器。此外，考虑到金属化的表面，罩子基本上包含了从后刻 面发射的光并且防止它到达器件330上任何不想要的区域或离开器件330。为 了保持良好的电隔离，金属层372并不与激光器332接触。
图19示出了图18的罩子的修改形式，其中示出了基片378上的激光器376。
用于图18的监控检测器的弯曲的罩子360被用于监控光检测器的偏转器380 替代，偏转器380具有倾斜的刻面382。在本实施方式中，激光器376可以是 边缘发射激光器或表面发射激光器。在激光器外延结构中穿过倾斜的刻面382， 制造了偏转器380。监控光检测器388被蚀刻成台面结构，如上文参照图2、 5、 8或11所描述的那样，并且检测器的顶面被蚀刻成相对于基片378的表面成 45度。倾斜的刻面使激光器的后刻面384所发射的光向下偏转到在检测器外延 中所形成的p-i-n光检测器388以便于检测。接触层386可以由适当掺杂的 InGaAs构成，并且需要较薄以允许充足的光到达p-i-n光检测器388的i区域。 图20示出了本发明的另一个实施方式390，其形式是分为两个部分的芯片 392，它包括半绝缘基片394，该基片394具有位于芯片一端398处的表面发射 激光器396以及位于芯片的另一端402上的表面接收检测器400。监控光检测 器404形成于基片394上以监控激光器的后刻面406。图20也示出了外部组件 的一个示例，它可以与该分为两个部分的芯片一起使用从而允许它接收光并将 光发射到单个光纤中，比如在激光器396的发射器刻面410上方间隔的单模光 纤408。分别在出射刻面410上方以及检测器400上方间隔的透镜412和414 与二向色棱镜416—起使用，该棱镜416位于透镜和光纤408之间，以允许将 来自光纤408的光418引导至表面接收检测器400，同时将激光420从输出刻 面410引导至光纤408。尽管图20示出了基于硅的透镜，但是将会理解，其它 类型的透镜也可以被使用。应该理解，其它类型的外部组件也可以与分为两个 部分的芯片一起使用，并且可以用具有合适的反射器的边缘发射激光器来替代 表面发射HCSEL激光器396，和/或可以用具有合适的反射器的边缘接收检测 器来替代表面接收检测器400。 MPD检测器404被显示成表面接收检测器，但 是将进一步理解，可以使用边缘接收检测器。另外，也可以使用如图18所示 的罩子。
图21示出了在430处光子器件390的修改版本，它包括第三表面接收检 测器以及与图20相似的外部组件从而提供了三工器的功能。如图所示，该实 施方式包括位于半绝缘基片434上的边缘发射激光器432，具有二向色滤光片 438的反射器436定位于发射器刻面440附近以及检测442之上，其方式与上 文参照图11的实施方式所描述的相同。MPD 444定位于激光器432的后端刻
面446附近，并且远程检测器448被安装在基片434上远离激光器发射器所处 一端的另一端处。第一波长的光450从激光器中出来，并且通过透镜454和棱 镜456的一端而耦合到光纤452，同时第二和第三波长的光458和460被从光 纤引导至器件430。检测器444是MPD并且检测从激光器的后刻面446发射的 第一波长的光。在二向色涂敷偏转器436下面的第二检测器442接收第二波长 的光458。外部组件的二向色棱镜456将第三波长460引导至第三表面接收检 测器448。图21的光子器件和外部组件所执行的功能是三工器的功能。
尽管已根据较佳实施方式对本发明进行了描述，但是应该理解，在不背离 权利要求书所阐明的真实精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。
权利要求
1.一种光子器件，包括基片；位于所述基片上的第一外延结构以及叠加在所述第一外延结构上的第二外延结构；在所述第一外延结构中制造的第一蚀刻刻面光子元件，其光轴在发射器末端和反射末端之间延伸；以及在所述第二外延结构中制造的第二表面接收光子元件，其邻接着所述蚀刻刻面光子元件的所述反射末端。
2. 如权利要求1所述的器件，还包括在所述第二光检测器外延结构中制造的 第三光子元件。
3. 如权利要求2所述的器件，其特征在于，第三光子元件是位于所述蚀刻刻 面光子元件的所述发射器末端附近的光检测器。
4. 如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述第三光子元件是与所述光轴 对齐且与所述第二光子元件间隔开的表面接收光检测器。
5. 如权利要求4所述的器件，还包括在所述第二光检测器外延结构中制造的 第四光子元件，其邻接着所述蚀刻刻面光子器件的所述发射器末端。
6. 如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述第一蚀刻刻面光子元件是激 光器，所述第二表面接收光子元件是与所述激光器的光轴对齐以监控激光器操作的 光检测器，以及所述第三光子元件是位于所述发射器末端处的与激光器光轴对齐的光检测器。
7. 如权利要求6所述的器件，其特征在于，所述激光器和所述光检测器位于 所述基片上的分开的台面结构上。
8. 如权利要求1所述的器件，还包括用于将所述第一光子元件的反射末端所 发射的光耦合到所述第二光子元件的光学元件。
9. 如权利要求8所述的器件，其特征在于，所述光学耦合元件包括反射器。
10. 如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述反射器是一个罩子，它包括位于所述激光器和所述监控光检测器之间的透光填充物以及所述填充物上的反射 涂层。
11. 一种在单个芯片上制造单片光子器件的方法，包括 提供叠加在基片上的第一和第二外延结构；在所述第一结构中制造至少一个激光器腔体，所述激光器腔体具有第一和第二蚀刻刻面并且发射第一波长的光；修改所述第二蚀刻刻面的反射率以提供高水平的光反射；以及 在所述第二结构中制造第一表面接收检测器，其邻接着所述第二蚀刻刻面以便检测由所述反射刻面发射的第一波长的激光。
12. 如权利要求ll所述的方法，还包括在所述第二结构中制造第二检测器以便接收并检测第二波长的光； 将所发射的第一波长的光耦合到外部光学器件；以及 将来自外部光学器件的第二波长的光耦合到第二检测器。
13. 如权利要求11所述的方法，还包括将反射器元件定位于第二蚀刻刻面 附近以便将所发射的光引导至第一检测器。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，定位反射器元件包括制造从 激光器延伸到第一检测器的罩子。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，定位反射器元件包括在激光器的反射刻面和第一检测器之间沉积透光填充物；以及在所述填充物上沉积反射层以便形成从激光器延伸到第一检测器的罩子。
16. —种光子器件，包括 基片；位于所述基片上的第一光检测器外延结构； 位于所述第一结构上的第二激光器外延结构；在所述第二结构中制造的用于产生第一波长的光的激光器，所述激光器具有 用于发射第一波长的光的发射器末端并且还具有反射末端；在所述第一外延结构中制造的第一光检测器，其邻接着所述发射器末端以便 检测第二波长的光；以及在所述第一外延结构中制造的第二光检测器，用于检测第一波长的光以便监 控所述激光器的操作。
17. 如权利要求16所述的光子器件，还包括用于将来自激光器的光引导至第 二光检测器的反射器。
18. 如权利要求17所述的光子器件，还包括光纤，用于接收由激光器发射的第一波长的光并且将第二波长的光引导至光 子器件；以及第一光学器件，用于将第二波长的光引导至第一检测器。
19. 如权利要求18所述的光子器件，还包括在所述第一结构中制造的且与 所述激光器分隔开的第三光检测器，所述第三光检测器检测第三波长的光。
20. 如权利要求19所述的光子器件，其特征在于，所述光纤将第三波长的光 引导至所述光子器件，并且还包括用于将第三波长的光引导至第三检测器的第二光 学器件。
21. 如权利要求20所述的光子器件，其特征在于，所述第一、第二和第三光检测器是表面接收检测器。
22. 如权利要求21所述的光子器件，其特征在于，所述第一和第二光学器件 包括用于在光纤以及第一和第三检测器之间引导光的透镜。
23. 如权利要求18所述的光子器件，其特征在于，所述第二光检测器是邻接 着激光器的反射末端以便接收第一波长的光的表面接收检测器。
24. 如权利要求23所述的光子器件，其特征在于，所述反射器是具有弯曲反 射器表面的罩子，用于在其反射末端将激光器所发射的光引导至第二光检测器。
25. 如权利要求23所述的光子器件，其特征在于，所述反射器是在所述第二 结构中制造的45°镜子，用于在其反射末端将激光器所发射的光引导至第二光检 测器。
26. —种光子器件，包括 基片；在所述基片上的第一光检测器外延结构，在所述第一光检测器外延结构上的 第二光检测器外延结构，和在所述第二光检测器结构上的激光器外延结构； 在所述激光器外延结构中制造的蚀刻刻面激光器； 在所述第一光检测器外延结构中制造的第一接收光检测器；以及 在所述第二光检测器外延结构中制造的第二接收光检测器。
27. 如权利要求26所述的光子器件，还包括 所述激光器发射第一波长的激光；以及 所述第一接收光检测器检测第二波长的光。
28. 如权利要求27所述的光子器件，还包括所述第二接收光检测器是在所述第一接收光检测器的顶部之上制造的。
29. 如权利要求28所述的光子器件，还包括所述第二接收光检测器检测第三波长的光。
30. 如权利要求28所述的光子器件，其特征在于，所述第二光检测器基本上 吸收第一波长的光并且对第二波长而言基本上透明。
全文摘要
在单个芯片的相应外延层上集成的激光器和检测器与芯片上的和/或外部的光学器件协作从而将激光器所发射的第一波长的光耦合到单个外部器件(比如光纤)并且同时将从外部器件接收到的不同波长的光耦合到检测器，如此提供了双向光子操作。多个激光器和检测器可以被集成在芯片上从而提供多个双向通道。在激光器一端附近的检测器外延中，制造了监控光检测器。
文档编号H01S5/18GK101356699SQ200680050533
公开日2009年1月28日 申请日期2006年12月26日 优先权日2006年1月5日
发明者A·A·贝法, A·T·谢里默尔, M·R·格林 申请人:宾奥普迪克斯股份有限公司