单片集成光收发芯片及其制备方法

1.本公开涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种单片集成光收发芯片及其制备方法。


背景技术：

2.无源光网络(passive optical network，pon)是一种纯介质网络，可以避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备的故障率，提高系统可靠性，节省维护成本。pon是一种点对多点的光纤传输和接入技术，下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树形、星型、总线型等拓扑结构，只需要在光分支点安装一个简单的光分支器即可实现。因此，pon具有节省光缆资源、带宽资源共享、节省机房投资、建网速度快、综合建网成本低等优点。
3.在目前的一些pon网络中，下行光信号的波长在1480-1550nm范围内，上行波长在1260-1360nm范围内。当pon网络中上下行信号在同一根光纤中复用传输时，就需要波分复用/解复用器件来实现两种不同波长信号的复用及解复用。现有的pon网络中光发射用的激光器、光接收用的光电探测器及复用/解复用器件均为分立器件，这使得系统结构复杂，功耗高，稳定性差。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明提供了一种单片集成光收发芯片及其制备方法，以解决上述技术问题。
5.本公开的一个方面提供了一种单片集成光收发芯片，衬底、无源波导层、激光器材料层、探测器材料层和接触层，所述无源波导层、激光器材料层、探测器材料层和接触层从下至上依次生长在所述衬底上；所述无源波导层包括无源波导区、激光器区和探测器区；所述无源波导区包括合/分波器、第一连接波导、第二连接波导和输入/输出波导，所述第一连接波导、第二连接波导的一端连接于所述合/分波器的一端，所述输入/输出波导的一端连接于所述合/分波器的另一端；所述激光器区与第二连接波导的另一端相连，所述探测器区和所述第一连接波导的另一端相连；激光器材料层，设于所述无源波导层的激光器区和探测器区上，探测器材料层，设于所述探测器区的激光器材料层上；接触层，设于所述无源波导层、激光器材料层、探测器材料层上表面。
6.可选地，所述探测器材料层材料的带隙波长最大，所述无源波导层材料的带隙波长最小，所述激光器材料层材料带隙波长位于两者之间。
7.可选地，所述无源波导层的材料为n型掺杂或无掺杂。
8.可选地，所述激光器区上的激光器材料层内部设有光栅。
9.可选地，所述合/分波器为多模干涉结构或阵列波光栅结构。
10.可选地，所述衬底为inp衬底；所述无源波导层为单层ingaasp层，或，所述无源波导层为多层ingaasp层与inp层交替形成；所述激光器材料层为ingaasp或ingaalas多量子
阱材料层；所述探测器材料层为ingaasp材料层。
11.本公开的另一个方面提供了一种单片集成光收发芯片的制备方法，包括：在衬底上依次生长无源波导层、激光器材料层、探测器材料层；去除所述无源波导区的无源波导层的激光器材料层、探测器材料层；去除激光器区的所述无源波导层的探测器材料层；在所述无源波导层、激光器材料层、探测器材料层上生长接触层；在所述激光器区刻蚀出激光器波导，在所述无源波导层的探测器区刻蚀出探测器波导，以及，在所述无源波导区刻蚀出合/分波器、第一连接波导、第二连接波导和输入/输出波导；其中，所述第一连接波导、第二连接波导的一端连接于所述合/分波器的一端，所述输入/输出波导的一端连接于所述合/分波器的另一端；所述激光器区与第二连接波导的另一端相连，所述探测器区和所述第一连接波导的另一端相连。
12.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
13.本公开实施例提供的单片集成光收发芯片将激光器、探测器、合/分波器集成于同一结构上，同时具有激光信号发射及接收功能，其基于具有不同功能的、不同带隙波长半导体材料在单次生长制备得到，使器件制作工艺得到简化。
附图说明
14.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
15.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的材料结构示意图；
16.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的的结构示意图；
17.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的探测器区的材料结构示意图；
18.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的激光器区的材料结构示意图；
19.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
20.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
21.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
22.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的
含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
23.图1～4示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的材料结构示意图。
24.如图1～4所示，该单片集成光收发芯片包括衬底10、无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40和接触层50，无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40和接触层50从下至上依次生长在衬底10上。
25.如图2所示，无源波导层20包括无源波导区p、激光器区l和探测器区d。无源波导区p包括合/分波器、第一连接波导c1、第二连接波导c2和输入/输出波导o，第一连接波导c1、第二连接波导c2的一端连接于合/分波器的一端，输入/输出波导o的一端连接于合/分波器m的另一端；激光器区l与第二连接波导c2的另一端相连，探测器区d和第一连接波导c1的另一端相连。
26.如图3、4所示，无源波导层20的激光器区l和激光器区d上设有激光器材料层30，激光器区l的激光器材料层30形成了激光器波导，探测器区d的激光器材料层30上设有探测器材料层40；形成了探测器波导。
27.如图3、4所示，无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40上表面设有接触层50。
28.在本公开实施例中，探测器材料层40材料的带隙波长最大，无源波导层20材料的带隙波长最小，激光器材料层30材料带隙波长位于两者之间。以以inp基材料体系为例，衬底10为inp衬底；无源波导层20为单层ingaasp层，或，无源波导层20为多层ingaasp层与inp层交替形成，其中ingaasp材料带隙波长在1.0-1.1微米之间；激光器材料层30为ingaasp或ingaalas多量子阱材料层，带隙波长为1.3微米；探测器材料层40为ingaasp材料层，带隙波长大于1.5微米。当波长为1.5微米的信号光由输入/出波导o进入芯片，经合/分波器m进入连接波导c1后进入探测器d。如图3所示，在探测器中，信号光经激光器材料30耦合进入探测器材料40被吸收。由于激光器材料30的带隙波长小于信号波长，信号光可低损耗的通过激光器材料30。激光器材料30的折射率在无源波导材料20及探测器材料40的折射率之间，有助于提高探测器对信号光的吸收效率。
29.可选地，器件中无源波导材料20与激光器材料30之间及激光器材料30与探测器材料40之间可以插入ingaasp或inp间隔层以方便工艺加工过程及满足折射率分布的设计需求。
30.可选地，无源波导层20的材料为n型掺杂或无掺杂。
31.可选地，激光器区l上的激光器材料层30内部设有光栅。
32.可选地，合/分波器m为多模干涉结构或阵列波光栅结构。
33.本公开实施例提供的单片集成光收发芯片将激光器、探测器、合/分波器m集成于同一结构上，同时具有激光信号发射及接收功能，其基于具有不同功能的、不同带隙波长半导体材料在单次生长制备得到，使器件制作工艺得到简化。
34.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的制备方法的流程图。
35.如图5所示，本公开实施例提供的一种单片集成光收发芯片的制备方法包括操作s510～s550。
36.在操作s510，在衬底10上依次生长无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40。
37.在操作s520，去除无源波导区p的无源波导层20的激光器材料层30、探测器材料层40。
38.在操作s530，去除激光器区l的激光器材料层30上的探测器材料层40。
39.在操作s540，在无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40上生长接触层50。
40.在操作s550，在激光器区l刻蚀出激光器波导，在无源波导层20的激光器区d刻蚀出探测器波导，以及，在无源波导区p刻蚀出合/分波器m、第一连接波导c1、第二连接波导c2和输入/输出波导o。
41.其中，第一连接波导c1、第二连接波导c2的一端连接于合/分波器m的一端，输入/输出波导o的一端连接于合/分波器m的另一端；激光器区l与第二连接波导c2的另一端相连，激光器区d和第一连接波导c1的另一端相连。
42.下面参考图1～图4，以inp基材料体系为例进行单杠片集成光收发芯片制备流程的说明。
43.如图1所示，根据操作s510，在inp衬底10上依次生长无源波导层材料20，激光器材料30，及探测器材料40。其中无源波导材料20可以为单层ingaasp材料，也可以由多个周期的ingaasp层及inp层交替构成，其中ingaasp材料带隙波长在1.0-1.1微米之间，n型掺杂或无掺杂，其中激光器材料30为ingaasp或ingaalas多量子阱材料，带隙波长为1.3微米，其中探测器材料40为ingaasp体材料，带隙波长大于1.5微米。
44.然后，根据操作s520，在芯片的无源波导区p去除无源波导层材料20上方的激光器材料30及探测器材料40。
45.如图4所示，再根据操作s530，在芯片的激光器区l去除激光器材料30上方的探测器材料40，可以根据需要在激光器材料30内部制作光栅。探测器区d上方的激光器材料30和探测器材料40均保留下来，如图3所示。
46.再在操作s540，在芯片表面生长接触层材料50，即在剩余的无源波导层20、激光器材料层30、探测器材料层40上表面生长接触层材料50。
47.最后，根据操作s550，对芯片进行刻蚀，制作探测器波导d、激光器波导l及无源波导p，形成如图2所示的芯片结构。其中，无源波导p包括合/分波器m、第一连接波导c1、第二连接波导c2和输入/输出波导o，第一连接波导c1、第二连接波导c2的一端连接于合/分波器m的一端，输入/输出波导o的一端连接于合/分波器m的另一端，激光器波导l与第二连接波导c2的另一端相连，探测器波导d和第一连接波导c1的另一端相连。
48.如图3所示，当波长为1.5微米的信号光由输入/出波导o进入芯片，经合/分波器m进入连接波导c1后进入探测器d；信号光经激光器材料30耦合进入探测器材料40被吸收。由于激光器材料30的带隙波长小于信号波长，信号光可低损耗的通过激光器材料30。激光器材料30的折射率在无源波导材料20及探测器材料40的折射率之间，有助于提高探测器对信号光的吸收效率。
49.如图4所示，激光器l发出的波长为1.3微米的光耦合进入无源波导材料20，经连接波导c2进入合/分波器m后耦合至输入/出波导o输出。
50.可选地，合/分波器m可以采用多模干涉(mmi)结构制作，也可以采用阵列波导光栅(awg)结构制作。
51.可选地，在该结构中，无源波导材料20与激光器材料30之间及激光器材料30与探测器材料40之间可以插入ingaasp或inp间隔层以方便工艺加工过程及满足折射率分布的设计需求。
52.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
53.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。