速率倍增光集成芯片的制作方法

1.本发明是关于光通信技术领域，特别是关于一种速率倍增光集成芯片。


背景技术：

2.为提高光信号在光纤里的容量，一般采用的方法有：提高单颗芯片的速度或通过封装把4颗、8颗或更多的芯片集成在一起。目前商用单颗dml芯片的调制速度在25gbit/s，为进一步提高单颗芯片的速度，需要减小芯片的有源区面积或电极打线pad大小，以减小芯片的电容。有源区面积太小，为保持一定的输出功率，流过有源区的电流密度会增加，从而影响芯片的长期可靠性；电极打线pad太小会影响芯片的封装良率。现在市场上高速传输器件基本都是通过封装工艺把多颗相同的芯片集成在一个基板上而实现的。多颗芯片的封装不仅使得器件的尺寸增大很多，也大大增加了器件的封装工艺难度。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种速率倍增光集成芯片，其能够克服现有技术中器件尺寸大、封装工艺难的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种速率倍增光集成芯片，包括具有不同波长的多个激光器单元和一个第一无源波导，每个所述激光器单元分别通过一具有相同光传输长度的第二无源波导与所述第一无源波导的输入端耦合。
6.在本发明的一个或多个实施方式中，所述多个激光器单元并列设置，所有所述激光器单元的出光端面位于同一平面。
7.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元的数量为2n个，其中n为正整数。
8.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二无源波导包括两个相同长度的第一无源波导单元，该两个第一无源波导单元的输入端分别与相邻两个所述激光单元的输出端耦合，两个所述第一无源波导单元的输出端相交后与所述第一无源波导的输入端耦合，
9.当n大于等于2时，所述第二无源波导还包括两个具有相同长度的第二无源波导单元，所述第二无源波导单元的输入端分别与一所述第一无源波导单元的输出端耦合，两个所述第二无源波导单元的输出端相交后与所述第一无源波导的输入端耦合。
10.在本发明的一个或多个实施方式中，两个所述第一无源波导单元相交呈v形，和/或
11.两个所述第二无源波导单元相交呈v形。
12.在本发明的一个或多个实施方式中，每个所述激光器单元的端面分别设置有发射膜。
13.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一无源波导的出光端面上设置有增透
膜。
14.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元、第一无源波导、第二无源波导集成于同一衬底上，
15.所述激光器单元包括依次生长于衬底上的第一n型分别限制层、量子阱层、第一p型分别限制层、光栅层、第一p型层和第一p型欧姆接触层；
16.所述第一无源波导和第二无源波导包括依次生长于衬底上的第二n型分别限制层、波导层、第二p型分别限制层、第二p型层和第二p型欧姆接触层。
17.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器单元、第一无源波导、第二无源波导集成于同一衬底上，所述波导层采用ingaasp材料。
18.在本发明的一个或多个实施方式中，所述波导层材料的禁带宽度大于量子阱层的禁带宽度。
19.与现有技术相比，本发明的速率倍增光集成芯片可以使传输信号的速度成倍增加，而且多个激光器通过一次光纤耦合工艺即可完成从芯片到光纤的耦合，大大简化了封装工艺。
附图说明
20.图1是根据本发明一实施方式的速率倍增光集成芯片的原理示意图；
21.图2是根据本发明一实施方式的速率倍增光集成芯片的剖视图。
具体实施方式
22.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
23.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
24.如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的一种速率倍增光集成芯片10，包括具有不同波长的多个激光器单元11和一个第一无源波导12，每个所述激光器单元11分别通过一具有相同光传输长度的第二无源波导13与所述第一无源波导12的输入端耦合。第一无源波导12的输出端可以与光纤进行耦合。
25.该技术方案中，本实施例的集成方法不仅使传输信号的速度成倍增加，同时，多个激光器单元通过一次光纤耦合工艺即可完成从芯片到光纤的耦合，大大简化了封装工艺。
26.在一实施例中，如果激光器单元采用dml(直接调制激光器，directly modulated laser)，一个dml的速率是25gbit/s，4个dml集成后的速率就是100gbit/s；如果激光器单元采用eml(电吸收调制器，electlro-absorption modulated laser)，一个eml的速率是50gbit/s，4个eml集成后的速率就是200gbit/s，8个eml集成后的速率就是400gbit/s。
27.光集成芯片10在其腔长方向上依次划分成激光区、耦合区和信号汇合输出区。其中，所有激光器单元11设置在激光区，所有第二无源波导13设置在耦合区，第一无源波导12设置在信号汇合输出区。
28.激光器单元11用以产生并传输光信号，激光器单元11可以采用dml、eml或dfb(分
布式反馈激光器，distributed feedback)，本实施例并不限制。但是需要说明的是，在优选的实施例中，所有激光器单元11采用相同的激光器类型，比如所有激光器单元均采用eml。
29.多个激光器单元11并列设置，且所有激光器单元11在腔长方向上的出光端面位于同一平面，所有激光器单元11的另外一个端面也位于同一平面。亦即，多个激光器单元11结构和尺寸相同，且在腔长方向上具有相同的长度。图1示例性提供了4个激光器单元11a、11b、11c和11d。
30.多个激光器单元11之间电隔离，电隔离的方式可以通过在相邻激光器单元11之间刻蚀凹槽，刻蚀深度穿过量子阱有源区；也可以在相邻激光器单元11之间离子注入隔离材料，离子注入深度穿过量子阱有源区。
31.在一实施例中，第二无源波导13或构成第二无源波导13的无源波导单元均采用直线结构。为了确保每个所述激光器单元11与第一无源波导12之间的第二无源波导13的光传输长度相同，在优选的实施例中，激光器单元11的数量为2n个，其中n为正整数。
32.当n＝1时，激光器单元11设置有2个，第二无源波导13包括两个相同长度的第一无源波导单元131，该两个第一无源波导单元131的输入端分别与相邻两个所述激光单元11的输出端耦合，两个所述第一无源波导单元131的输出端相交后与所述第一无源波导12的输入端耦合。
33.在一实施例中，两个第一无源波导单元131长度相同，均在直线方向上延伸，两个第一无源波导单元131相交呈v形。在其他实施例中，第一无源波导单元131也可以采用曲线或其他折线形状，但是从制作成本和最短光传输路径上考虑，优选为直线结构。
34.结合图1所示，当n＝2时，对应有4个激光器单元11a、11b、11c和11d，第二无源波导13还包括两个具有相同长度的第二无源波导单元132，第二无源波导单元132的两端分别与第一无源波导单元131和第一无源波导12耦合。具体地，两个第一无源波导单元131相交后与第二无源波导单元132的输入端耦合，两个第二无源波导单元132相交后与第一无源波导12的输入端耦合。
35.在一实施例中，两个第二无源波导单元132长度相同，均在直线方向上延伸，两个第二无源波导单元132相交呈v形。在其他实施例中，第二无源波导单元132也可以采用曲线或其他折线形状，但是从制作成本和最短光传输路径上考虑，优选为直线结构。
36.该实施例中，第二无源波导13采用层级结构的无源波导单元对相邻两个激光器单元11进行耦合，可以确保所有激光器单元11至第一无源波导12的传输路径相同。当n大于等于3时，同理，可以设置新的两个呈v形无源波导单元将光信号进行逐级汇聚，最终将光信号输出至第二无源波导13。
37.在一实施例中，腔体结构沿腔长方向的两端分别设置有反射膜(即hr)14和增透膜(即ar)15，所述反射膜14设置于激光器单元11的端面上，所述增透膜15设置于第一无源波导12的端面上。
38.该技术方案中，在激光器单元11一端蒸镀hr高反射膜，使得传到高反射膜处的光超过80％的反射回来。在无源波导12一端蒸镀ar增透膜，使得通过波导的光只出而没有反射，此信号可以通过无源波导耦合到光纤里。
39.图2所示为光通信集成芯片10的截面示意图。所述激光器单元11、第一无源波导12、第二无源波导13通过半导体工艺集成于同一衬底16和缓冲层17上。
40.可选的，衬底16可以由磷化铟(inp)等iii-v族材料构成。缓冲层17可以采用n型inp材料。
41.激光器单元11包括依次生长于缓冲层17上的第一n型分别限制层111、量子阱层112、第一p型分别限制层113、光栅层114、第一p型层115和第一p型欧姆接触层116。
42.在一实施例中，第一n型分别限制层111和第一p型分别限制层113为ingaasp层，第一p型层115为p型inp层，第一p型欧姆接触层116为ingaas层。量子阱层112采用ingaasp/ingaasp量子阱结构
43.每个激光器单元11的电极用以接收激励电信号，激光器单元11的量子阱结构在该激励电信号作用下产生并传输光信号，激光器单元11的光栅用以选出单纵模光信号。
44.多个激光器单元11分别具有不同的波长。可以利用sag(选择生长)方法生长增益波长不同的多量子阱有源区，通过改变光栅的周期结构来选择所需的不同激光器单元的波长。在制作光栅材料相同的条件下，周期越大，激光器的波长越长。为使激光器的性能最佳，周期大的光栅做在发光区量子阱厚的区域。
45.第一无源波导12和第二无源波导13结构相同，包括依次生长于缓冲层17上的第二n型分别限制层121、波导层122、第二p型分别限制层123、第二p型层124和第二p型欧姆接触层125。
46.在一实施例中，第二n型分别限制层121和第二p型分别限制层123采用ingaasp层，波导层122采用ingaasp，第二p型层124采用inp层。
47.在一实施例中，波导层122材料的禁带宽度大于量子阱层112的禁带宽度。确保激光器发出的光不被无源波导吸收。
48.为了进一步降低半导体工艺集成的成本，在一实施例中，第一n型分别限制层111和第二n型分别限制层121的厚度相同，亦即第一n型分别限制层111和第二n型分别限制层121的顶面位于同一平面。量子阱层112和相耦合的波导层122的厚度相同，亦即量子阱层112和对应波导层122的顶面位于同一平面。第一p型分别限制层113和第二p型分别限制层123的厚度相同，亦即第一p型分别限制层113和第二p型分别限制层123的顶面位于同一平面。第一p型层115和第二p型层124的顶面位于同一平面。第一p型欧姆接触层116和第二p型欧姆接触层125的顶面位于同一平面。
49.综上所述，每个激光器单元产生的信号通过对称无源波导后同时汇集到一个出光波导。在无源波导的出光处蒸镀增透膜，使得99.9％的光信号传出无源波导。激光器的另一端蒸镀高反射膜，使传到此处80％的光信号反射回到波导以加强信号的强度。本案集成方法不仅使传输信号的速度成倍增加，(比如，如果ld是dml，一个dml的速率是25gbit/s，4个dml集成后的速率就是100gbit/s；如果ld是eml，一个eml的速率是50gbit/s，4个eml集成后的速率就是200gbit/s，8个eml集成后的速率就是400gbit/s)，同时，多个ld通过一次光纤耦合工艺即可完成从芯片到光纤的耦合，大大简化了封装工艺。
50.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。