光子集成芯片的制作方法

本公开的各种实施例一般地涉及收发器电路。更具体地，本公开的各个实施例涉及光子集成芯片。

背景技术：

1、重量轻、结构紧凑的光纤陀螺仪(fog)是无人驾驶飞行器(uav)、无人机和机器人自动化等新兴市场中导航应用的关键推动因素之一。传统上，此类传感器系统的制造商一直使用基于fog的导航系统。通常，fog使用光纤传感器线圈、相位调制器和发射-接收光学电路，该电路由多个分立光学组件组成，例如超辐射发光二极管(sled)、定向耦合器和pin光电探测器，这些组件均采用光纤熔接一起，形成用于sagnac干涉测量的光学电路。然而，为了制造这种发射-接收光学电路，需要通过执行多次光纤熔接操作来手动组装多个分立光学元件，以实现保偏光纤(pmf)连接。由于fog系统的物理尺寸尽可能小是一项重要要求，因此fog系统制造商必须将发射-接收电路的子组装与传感电路紧密集成，以确保紧凑的组装结果，这是不希望的。

2、综上所述，需要一种技术方案来克服fog中的发射-接收电路中的上述问题。

技术实现思路

1、基本上如至少一幅附图所示并结合至少一幅附图所描述的，提供了用于光纤陀螺仪(fog)的磷化铟(inp)光子集成收发器。

2、在一个实施例中，公开了一种光子集成芯片。该光子集成芯片包括光发射器、光检测器、多模干涉耦合器和模场适配器。光发射器被配置为发射光。模场适配器被配置成以下至少之一：(i)基于光发射器发射的光发射光和(ii)接收光。基于模场适配器对所接收的光的接收，光检测器被配置为检测所接收的光。光发射器和光检测器形成在多模干涉耦合器上方，并且模场适配器形成为邻近多模干涉耦合器。多模干涉耦合器将光发射器耦合到模场适配器，使得发射的光从光发射器传播到模场适配器，并且多模干涉耦合器将光检测器耦合到模场适配器，使得发射光从光发射器传播到模场适配器。接收到的光从模场适配器传播到光检测器。

3、在一些实施例中，光子集成芯片还包括光电二极管。光发射器在其前端面处耦合到多模干涉耦合器，并且光发射器的后端面耦合到光电二极管。

4、在一些实施例中，光检测器的背面和光电二极管的背面涂覆有抗反射涂层。

5、在一些实施例中，光发射器是超辐射发光二极管。

6、在一些实施例中，光检测器是光电检测器。

7、在一些实施例中，光子集成芯片由多个层形成，这些层包括衬底、无源波导芯层、无源波导包层、第一蚀刻停止层、n-接触层、第二蚀刻停止层、n-包覆层、有源层、p-包覆层和p-金属层。无源波导芯层生长在衬底上方。无源波导芯层被配置为第一芯。第一芯与衬底晶格匹配，并且第一芯是未掺杂的。无源波导包层生长在无源波导芯层上。第一波导路径、第二波导路径和第三波导路径由无源波导包层形成。第三波导路径的输出端呈锥形以形成模场适配器。第一蚀刻停止层生长在无源波导包层上。n-接触层生长在第一蚀刻停止层上。第二蚀刻停止层生长在n-接触层上。n-包覆层生长在第二蚀刻停止层上。有源层被配置为第二芯并生长在n-包覆层上。与第一芯相比，第二芯具有较低的带隙。p-包覆层生长在有源层上。p-金属层生长在p-包覆层上。

8、在一些实施例中，p-包覆层、有源层和n-包覆层被图案化以形成光发射器。光发射器形成在第一波导路径上方，并且第二芯被锥形化，使得发射的光通过第二芯与第一芯之间的绝热耦合从第二芯传播到第一芯。

9、在一些实施例中，p-包覆层、有源层和n-包覆层被图案化以形成光检测器。光检测器形成在第二波导路径上方，并且第二芯呈锥形，使得接收到的光通过第一芯与第二芯之间的绝热耦合从第一芯传播到第二芯。

10、在一些实施例中，隔离沟槽在模场适配器的输出端附近以倾斜角度形成。隔离沟槽形成在无源波导芯层上。

11、在一些实施例中，p-包覆层、有源层和n-包覆层被图案化以形成光检测器。光检测器形成在第二波导路径上方，并且第二芯呈锥形，使得接收到的光通过第一芯与第二芯之间的绝热耦合从第一芯传播到第二芯。

12、在一些实施例中，有源层包括量子阱堆叠。量子阱堆叠中的每个相邻量子阱由相应的势垒层分隔。

13、在一些实施例中，光子集成芯片还包括第三芯层和第三包覆层。第三芯层被配置为第三芯。第三芯形成在衬底上，并且第三芯相对于衬底具有较低的折射率。第一芯呈锥形，实现以下至少之一：(i)发射的光从第一芯传播到第三芯，以及(ii)接收的光从第三芯传播到第一芯中。第三包覆层形成在第三芯之上。无源波导芯层形成在第三包覆层上方。

14、在一些实施例中，第三芯包括多个交替的薄磷化铟镓砷化物(ingaasp)层和厚inp层。每个薄ingaasp层的厚度为30纳米-40纳米(nm)，每个厚inp层的厚度为500nm-550nm。

15、在一些实施例中，模场适配器的输出端是锥形的，用于与光纤耦合。

16、在一些实施例中，光子集成芯片通过导热材料安装并接合在陶瓷热沉(ceramicsubmount)上，并且光子集成芯片被包括在光纤陀螺仪电路中。

17、在一些实施例中，光子集成芯片被分成多个通道，包括第一通道、第二通道和第三通道。多个通道中的每个通道与多个通道中的其他通道隔离。第一通道包括光发射器、光检测器、模场适配器、和多模干涉耦合器。第二通道和第三通道中的每一个包括对应的光发射器、对应的光检测器、对应的模场适配器和对应的多模干涉耦合器。

18、在另一个实施例中，公开了一种制造光子集成芯片的方法。该方法包括在衬底上方生长无源波导芯层；在无源波导芯层上生长无源波导包层；在无源波导包层上形成第一多个层；在第一多个层上生长第二多个层；图案化第二多个层以形成光发射器和光检测器；以及图案化无源波导包层。图案化的无源波导包层的第一波导路径、第二波导路径和第三波导路径形成多模干涉耦合器。光发射器形成在第一波导路径上方，以及光检测器形成在第二波导路径上方。该方法还包括图案化无源波导包层的第三波导路径的一端以形成模场适配器。多模干涉耦合器、光发射器、模场适配器和光检测器形成光子集成芯片。

19、在一些实施例中，在无源波导包层上形成第一多个层包括在无源波导包层上生长第一蚀刻停止层；在第一蚀刻停止层上生长n-接触层；在n-接触层上生长第二蚀刻停止层；在图案化第二多个层之后，图案化第一蚀刻停止层、n-接触层和第二蚀刻停止层中的每一个。

20、在一些实施例中，在第一多个层上生长第二多个层包括在第二蚀刻停止层的顶部上生长n-包覆层；在n-包覆层上生长有源层；以及在有源层上生长p-包覆层。

21、在一些实施例中，图案化第二多个层包括蚀刻p-包覆层、有源层和n-包覆层以形成光发射器和光检测器中的至少一个；在光发射器的第一侧和光检测器的第二侧形成深隔离沟槽；在图案化的p-包覆层的顶部形成p金属层；以及在第二蚀刻停止层的每侧和图案化的n-接触层的顶部形成n金属接触层。

22、通过阅读本公开的以下详细描述以及附图，可以理解本公开的这些和其他特征和优点，在附图中，相同的附图标记自始至终指代相同的部件。