一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列制造技术

本发明专利技术提供一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列，所述光电芯片包括衬底、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射波长为光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长为光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底上的第一半导体材料层、第二半导体材料层和第三半导体材料层，所述第三半导体材料上设有绝缘层，所述光吸收单元和光发射单元通过绝缘层电隔离；光发射单元包括第一反射镜、光学腔和第二反射镜，所述光学腔位于第一反射镜上，所述第二反射镜位于光学腔上。只应用一个光学腔，同时起到光发射上的谐振增强与光吸收上的高透滤波功能，实现光信号的发射与接收。

Monolithic integrated transceiver chip and integrated chip array

The invention provides a monolithic integrated optoelectronic transceiver chip and integrated chip array, the photoelectric chip comprises a substrate, light absorption unit and a light emitting unit; the emission spectrum of light lasing wavelength of the light emission unit for the photoelectric chip, the light absorption unit absorption wave absorption spectral region for optoelectronic chips. The absorption spectra and emission spectra of the district area do not overlap; the light absorption unit includes sequentially stacked on a substrate of a first semiconductor material layer and the second semiconductor layer and a third semiconductor layer, an insulating layer and the third semiconductor material, the light absorption unit and a light emitting unit through an insulating layer electrical isolation; light emission unit includes a first reflector, optical cavity and second mirror, the optical cavity is positioned on the first mirror and the second mirror in optical cavity On. Only one optical cavity is used, while the resonant enhancement on the light emission and the high pass filtering function of the optical absorption are used to realize the emission and reception of the optical signal.

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列
本专利技术涉及光电
，更具体地，涉及一种单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列。
技术介绍
近年来信息
的进步日新月异，从商业、工业、通信、社会服务等各个领域向人们的日常工作、生活的各个方面逐步加速渗透，互联网、云计算、大数据等现代信息技术深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式，深刻展示了世界发展的前景，并进而更进一步推动了自身的飞速发展。在我国，云计算和大数据服务也受到了极大的关注和推动，国家十二五规划纲要、“十二五”国家战略性新兴产业发展规划将云计算列为新一代信息技术产业的重点领域。2015年《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中更具体提到要实施国家大数据战略，这标志着大数据已被国家纳入创新战略层面，成为国家战略计划的核心任务之一。进而，作为大数据战略服务支撑的云计算也同时获得了新的发展契机。目前，国家工信部正在制定大数据产业和云计算的“十三五”发展规划。技术上看这一重要的“云”基本上由三个同等重要的系统构成。存储用户数据和信息资源的数据中心、联结各个数据中心的网络及联结终端用户到各个数据中心的网络。对于数据中心，其由多层交换机或路由器架构起所有服务器之间的互联通道以及与外部网络的联通与交换，光互联技术在其网络架构中起着决定性作用，几乎所有的交换机和路由器间的连接都由其实现，而且目前光互联技术更进一步渗透到服务器组交换机到服务器和服务器之间的连接领域。光互联的优势包括满足不断更新的应用对多种特性流量的联接需求、节能、交换转变的快速性、波分复用和并行联接的可行性、降低路由节点数、竞争解决和高速的光连接存储。目前已投入使用的100G的光互联方案如下表1所示。表1：三种100G技术备注：上表中，MMF：多模光纤；SMF：单模光纤；DFB：分布反馈布拉格。目前主要研究的光互联技术方案有两种，基于垂直腔面发射激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL)和多模光纤的方案，基于分布反馈布拉格(D绝缘层tributedFeedbackLaser，DFB)激光器和单模光纤的方案。对于两种方案其收发端的研究重点是VCSEL和硅光子学集成芯片(Si-Photonics)，其评价主要从三个方面来考虑：考虑集成度的单位体积或面积带宽密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考虑功耗的单位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考虑成本的单位带宽成本($/Gb/s)。而在实际应用中，99％以上的光互联距离都在300m以下，所以基于垂直腔面发射激光器的方案更为业界所重视。对于垂直腔面发射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以来,已经有超过3亿支激光器应用在数据通信系统中。商用系统中应用的VCSEL传输速率也从1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％应用多模光纤的互连距离小于100m，目前实际应用中VCSEL通常与符合OM3标准的多模光纤配合使用，可以支持单信道10Gb/s下100m的光互联或25Gb/s下75m的光互联。对于更高的传输速率要求目前通常是采用多光纤通道的并联方式实现，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等来实现40Gb/s到100Gb/s的传输速率。垂直腔面发射激光由上下两层反射镜(p-DBR和n-DBR)夹持着量子阱(QWs)有源区构成，由正/负电极(p-contact/n-contact)注入的电流被氧化层(oxidelayer)形成的窗口限制。另一方面，从光互联的另一端-接收端来看，多年来没有太多的变化，采用高速的分立GaAs/InGaAsPIN、APD或Ge波导探测器作为接收器件，更进一步尝试与IC集成在一起，以及为了实现波分复用光通信中光信号的波长解复用接收，集成了谐振腔光波滤波器和谐振腔增强型光探测器而提出的多腔波长解复用探测器，如参考文献“Theoryandexperimentsofathree-cavitywavelength-selectivephotodetector”,AppliedOptics(USA),39(24),pp.4263-4269,2000”中。但是对于光互联通道单位体积或面积传输带宽指标来看，它占了将近一半的指标。而且对于更高集成密度的单纤双向信道来看，复杂的光学组件不仅没有降低模组尺寸，反而进一步增加了占用面积。在系统构成中，分立的探测组件也必然对应着单独的耦合封装需求，增加封装的成本。而在激光器与探测器集成方面，目前采用的主要研究思路是将两种器件在Si光学衬底上实现封装集成，并通过Si光学衬底上的光波导实现连接,称之为Si光子集成芯片；而在单片集成方面，一些研究项目将VCSEL与PD在同一芯片上实现了横向的并列集成，如参考文献“BidirectionalMultimodeFiberInterconnectionatGb/sDataRatesWithMonolithicallyIntegratedVCSEL–PINTransceiverChips，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，23(15)，pp.1058-1060”所示，但是这一集成方式的缺点是VCSEL和探测器无法同时实现最佳的工作性能，以及将VCSEL在不同的工作状态(正偏工作或反偏工作)分别作为发射光源或光信号探测器，如参考文献“BidirectionalMultimode-FiberCommunicationLinksUsingDual-PurposeVerticalCavityDevices，J.ofLightwaveTechnology,24(3)，pp.1283-1294”所示，但是这一集成方式的缺点是无法同时实现光信号的发射与接收。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的单片集成收发一体光电芯片及集成芯片阵列，整体集成芯片只应用一个光学腔，同时起到光发射上的谐振增强与光吸收上的高透滤波功能，实现光信号的发射与接收，而且实现工艺更加简便。根据本专利技术的一个方面，提供一种单片集成收发一体光电芯片，包括衬底、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射波长构成光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长构成光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底上的第一半导体材料层、第二半导体材料层和第三半导体材料层；所述光发射单元包括第一反射镜、光学腔和第二反射镜，所述光学腔位于第一反射镜上，所述第二反射镜位于光学腔上；所述光吸收单元和光发射单元纵向垂直集成为一体。作为优选的，所述第三半导体材料层上设有绝缘层，所述光吸收单元和光发射单元通过绝缘层电隔离。作为优选的，所述光学腔由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一种材料层或多种不同材料层构成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1；所述光学腔中含有InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，Inx本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片集成收发一体光电芯片，其特征在于，包括衬底、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射波长构成光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长构成光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底上的第一半导体材料层、第二半导体材料层和第三半导体材料层；所述光发射单元包括第一反射镜、光学腔和第二反射镜，所述光学腔位于第一反射镜上，所述第二反射镜位于光学腔上；所述光吸收单元和光发射单元纵向垂直集成为一体。

【技术特征摘要】
1.一种单片集成收发一体光电芯片，其特征在于，包括衬底、光吸收单元和光发射单元；所述光发射单元的光激射波长构成光电芯片的发射光谱区，所述光吸收单元吸收波长构成光电芯片的吸收光谱区，所述吸收光谱区和所述发射光谱区不重叠；所述光吸收单元包括依次层叠于衬底上的第一半导体材料层、第二半导体材料层和第三半导体材料层；所述光发射单元包括第一反射镜、光学腔和第二反射镜，所述光学腔位于第一反射镜上，所述第二反射镜位于光学腔上；所述光吸收单元和光发射单元纵向垂直集成为一体。2.根据权利要求1所述的单片集成收发一体光电芯片，其特征在于，所述第三半导体材料层上设有绝缘层，所述光吸收单元和光发射单元通过绝缘层电隔离。3.根据权利要求1所述的单片集成收发一体光电芯片，其特征在于，所述光学腔由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一种材料层或多种不同材料层构成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1；所述光学腔中含有InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN材料构成的多量子阱或多层量子点有源区，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入电流的情况下可激射的光波波长为700nm～1700nm。4.根据权利要求1所述的单片集成收发一体光电芯片，其特征在于，所述第一半导体材料层、第二半导体材料层或第三半导体材料层由InxGayAl1-x-yAs，InxGayAs1-x-yP，InxGayAl1-x-yP，InxGayAl1-x-yN或InxGayAs1-x-yN中的一种材料层或多种不同材料层构成，其中0≤x≤1，0≤y≤1；其中含有由InxGayAl1-x-yAs、InxGayAs1-x-yP、InxGayAl1-x-yP、InxGayAl1-x-yN或InxG...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯，任晓敏，黄永清，王琦，段晓峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11