本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種單片集成收發(fā)一體光電芯片及集成芯片陣列。

背景技術(shù)：

近年來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步日新月異，從商業(yè)、工業(yè)、通信、社會(huì)服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域向人們的日常工作、生活的各個(gè)方面逐步加速滲透，互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人類(lèi)的思維、生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式，深刻展示了世界發(fā)展的前景，并進(jìn)而更進(jìn)一步推動(dòng)了自身的飛速發(fā)展。在我國(guó)，云計(jì)算和大數(shù)據(jù)服務(wù)也受到了極大的關(guān)注和推動(dòng)，國(guó)家十二五規(guī)劃綱要、“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃將云計(jì)算列為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域。2015年《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》中更具體提到要實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，這標(biāo)志著大數(shù)據(jù)已被國(guó)家納入創(chuàng)新戰(zhàn)略層面，成為國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃的核心任務(wù)之一。進(jìn)而，作為大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略服務(wù)支撐的云計(jì)算也同時(shí)獲得了新的發(fā)展契機(jī)。目前，國(guó)家工信部正在制定大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)和云計(jì)算的“十三五”發(fā)展規(guī)劃。

技術(shù)上看這一重要的“云”基本上由三個(gè)同等重要的系統(tǒng)構(gòu)成。存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)和信息資源的數(shù)據(jù)中心、聯(lián)結(jié)各個(gè)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)及聯(lián)結(jié)終端用戶到各個(gè)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于數(shù)據(jù)中心，其由多層交換機(jī)或路由器架構(gòu)起所有服務(wù)器之間的互聯(lián)通道以及與外部網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通與交換，光互聯(lián)技術(shù)在其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中起著決定性作用，幾乎所有的交換機(jī)和路由器間的連接都由其實(shí)現(xiàn)，而且目前光互聯(lián)技術(shù)更進(jìn)一步滲透到服務(wù)器組交換機(jī)到服務(wù)器和服務(wù)器之間的連接領(lǐng)域。光互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)包括滿足不斷更新的應(yīng)用對(duì)多種特性流量的聯(lián)接需求、節(jié)能、交換轉(zhuǎn)變的快速性、波分復(fù)用和并行聯(lián)接的可行性、降低路由節(jié)點(diǎn)數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)解決和高速的光連接存儲(chǔ)。目前已投入使用的100G的光互聯(lián)方案如下表1所示。

表1：三種100G技術(shù)

備注：上表中，MMF：多模光纖；SMF：?jiǎn)文９饫w；DFB：分布反饋布拉格。

目前主要研究的光互聯(lián)技術(shù)方案有兩種，基于垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)和多模光纖的方案，基于分布反饋布拉格(D絕緣層tributed Feedback Laser，DFB)激光器和單模光纖的方案。對(duì)于兩種方案其收發(fā)端的研究重點(diǎn)是VCSEL和硅光子學(xué)集成芯片(Si-Photonics)，其評(píng)價(jià)主要從三個(gè)方面來(lái)考慮：考慮集成度的單位體積或面積帶寬密度(Gb/s/mm3或Gb/s/mm2)、考慮功耗的單位速率功耗(pJ/bit或mW/Gb/s)以及考慮成本的單位帶寬成本($/Gb/s)。而在實(shí)際應(yīng)用中，99％以上的光互聯(lián)距離都在300m以下，所以基于垂直腔面發(fā)射激光器的方案更為業(yè)界所重視。

對(duì)于垂直腔面發(fā)射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以來(lái),已經(jīng)有超過(guò)3億支激光器應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。商用系統(tǒng)中應(yīng)用的VCSEL傳輸速率也從1996年的1Gb/s逐步提升到2014年的28Gb/s。研究表明，80％應(yīng)用多模光纖的互連距離小于100m，目前實(shí)際應(yīng)用中VCSEL通常與符合OM3標(biāo)準(zhǔn)的多模光纖配合使用，可以支持單信道10Gb/s下100m的光互聯(lián)或25Gb/s下75m的光互聯(lián)。對(duì)于更高的傳輸速率要求目前通常是采用多光纖通道的并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等來(lái)實(shí)現(xiàn)40Gb/s到100Gb/s的傳輸速率。垂直腔面發(fā)射激光由上下兩層反射鏡(p-DBR和n-DBR)夾持著量子阱(QWs)有源區(qū)構(gòu)成，由正/負(fù)電極(p-contact/n-contact)注入的電流被氧化層(oxide layer)形成的窗口限制。

另一方面，從光互聯(lián)的另一端-接收端來(lái)看，多年來(lái)沒(méi)有太多的變化，采用高速的分立GaAs/InGaAs PIN、APD或Ge波導(dǎo)探測(cè)器作為接收器件，更進(jìn)一步嘗試與IC集成在一起，以及為了實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用光通信中光信號(hào)的波長(zhǎng)解復(fù)用接收，集成了諧振腔光波濾波器和諧振腔增強(qiáng)型光探測(cè)器而提出的多腔波長(zhǎng)解復(fù)用探測(cè)器，如參考文獻(xiàn)“Theory and experiments of a three-cavity wavelength-selective photodetector”,Applied Optics(USA),39(24),pp.4263-4269,2000”中。但是對(duì)于光互聯(lián)通道單位體積或面積傳輸帶寬指標(biāo)來(lái)看，它占了將近一半的指標(biāo)。而且對(duì)于更高集成密度的單纖雙向信道來(lái)看，復(fù)雜的光學(xué)組件不僅沒(méi)有降低模組尺寸，反而進(jìn)一步增加了占用面積。在系統(tǒng)構(gòu)成中，分立的探測(cè)組件也必然對(duì)應(yīng)著單獨(dú)的耦合封裝需求，增加封裝的成本。而在激光器與探測(cè)器集成方面，目前采用的主要研究思路是將兩種器件在Si光學(xué)襯底上實(shí)現(xiàn)封裝集成，并通過(guò)Si光學(xué)襯底上的光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)連接,稱之為Si光子集成芯片；而在單片集成方面，一些研究項(xiàng)目將VCSEL與PD在同一芯片上實(shí)現(xiàn)了橫向的并列集成，如參考文獻(xiàn)“Bidirectional Multimode Fiber Interconnection at Gb/s Data Rates With Monolithically Integrated VCSEL–PIN Transceiver Chips，IEEE Photonics Technology Letters，23(15)，pp.1058-1060”所示，但是這一集成方式的缺點(diǎn)是VCSEL和探測(cè)器無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的工作性能，以及將VCSEL在不同的工作狀態(tài)(正偏工作或反偏工作)分別作為發(fā)射光源或光信號(hào)探測(cè)器，如參考文獻(xiàn)“Bidirectional Multimode-Fiber CommunicationLinks Using Dual-Purpose Vertical Cavity Devices，J.of Lightwave Technology,24(3)，pp.1283-1294”所示，但是這一集成方式的缺點(diǎn)是無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射與接收。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種克服上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題的單片集成收發(fā)一體光電芯片及集成芯片陣列，整體集成芯片只應(yīng)用一個(gè)光學(xué)腔，同時(shí)起到光發(fā)射上的諧振增強(qiáng)與光吸收上的高透濾波功能，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射與接收，而且實(shí)現(xiàn)工藝更加簡(jiǎn)便。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種單片集成收發(fā)一體光電芯片，包括襯底、光吸收單元和光發(fā)射單元；所述光發(fā)射單元的光激射波長(zhǎng)構(gòu)成光電芯片的發(fā)射光譜區(qū)，所述光吸收單元吸收波長(zhǎng)構(gòu)成光電芯片的吸收光譜區(qū)，所述吸收光譜區(qū)和所述發(fā)射光譜區(qū)不重疊；所述光吸收單元包括依次層疊于襯底上的第一半導(dǎo)體材料層、第二半導(dǎo)體材料層和第三半導(dǎo)體材料層；所述光發(fā)射單元包括第一反射鏡、光學(xué)腔和第二反射鏡，所述光學(xué)腔位于第一反射鏡上，所述第二反射鏡位于光學(xué)腔上；所述光吸收單元和光發(fā)射單元縱向垂直集成為一體。

作為優(yōu)選的，所述第三半導(dǎo)體材料層上設(shè)有絕緣層，所述光吸收單元和光發(fā)射單元通過(guò)絕緣層電隔離。

作為優(yōu)選的，所述光學(xué)腔由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一種材料層或多種不同材料層構(gòu)成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1；所述光學(xué)腔中含有In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN材料構(gòu)成的多量子阱或多層量子點(diǎn)有源區(qū)，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入電流的情況下可激射的光波波長(zhǎng)為700nm～1700nm。

作為優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體材料層、第二半導(dǎo)體材料層或第三半導(dǎo)體材料層由In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一種材料層或多種不同材料層構(gòu)成，其中0≤x≤1，0≤y≤1；其中含有由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN半導(dǎo)體材料構(gòu)成的吸收層，所述吸收層為體結(jié)構(gòu)，多量子阱結(jié)構(gòu)或多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，且吸收700nm～1700nm波長(zhǎng)的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。

作為優(yōu)選的，所述吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口

作為優(yōu)選的，所述光發(fā)射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向。

作為優(yōu)選的，所述絕緣層由絕緣膠構(gòu)成，或由In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半導(dǎo)體材料經(jīng)濕法氧化工藝轉(zhuǎn)變的絕緣材料構(gòu)成，其中，0≤x≤1，y≥0.94，且x+y≤1。

作為優(yōu)選的，所述第一反射鏡和第二反射鏡為多層由不同材料構(gòu)成的布拉格反射鏡或亞波長(zhǎng)光柵反射鏡；所述構(gòu)成布拉格反射鏡或亞波長(zhǎng)光柵反射鏡的材料包括In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN、In_xGa_yAs_1-x-yN半導(dǎo)體材料，SiO₂、TiO₂、MgF、Si介質(zhì)膜材料，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，且x+y≤1。

作為優(yōu)選的，所述第一反射鏡、第二反射鏡中至少一個(gè)反射鏡含有至少一層In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半導(dǎo)體材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，x+y≤1，且該層半導(dǎo)體材料經(jīng)濕法氧化工藝部分氧化為絕緣材料并構(gòu)成注入電流限制窗口。

作為優(yōu)選的，所述光吸收單元為PIN光電探測(cè)器、雪崩光電探測(cè)器或單行載流子光電探測(cè)器。

一種集成芯片陣列，包括若干如上所述的單片集成收發(fā)一體光電芯片。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N單片集成收發(fā)一體光電芯片，將光發(fā)射單元和光吸收單元縱向疊加集成在一起，利用光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，使光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔在激光器的發(fā)射波長(zhǎng)上形成高Q的諧振腔結(jié)構(gòu)，光發(fā)射單元諧振腔的兩個(gè)反射鏡的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收單元的探測(cè)光譜區(qū)則形成一個(gè)寬光譜(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光譜區(qū)，以提高光吸收單元半導(dǎo)體光電探測(cè)器的量子效率。整體集成芯片只應(yīng)用一個(gè)光學(xué)腔，同時(shí)起到光發(fā)射上的諧振增強(qiáng)與光吸收上的高透濾波功能，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射與接收，而且實(shí)現(xiàn)工藝更加簡(jiǎn)便。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中集成芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2中集成芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中第一反射鏡所實(shí)現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中第二反射鏡所實(shí)現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖5是本發(fā)明中集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中第一反射鏡所實(shí)現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中第二反射鏡所實(shí)現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖8是本發(fā)明中集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜示意圖；

圖9是本發(fā)明中實(shí)施例5中集成芯片的結(jié)構(gòu)介紹示意圖；

圖10是本發(fā)明中實(shí)施例6中集成芯片的結(jié)構(gòu)介紹示意圖；

圖11是本發(fā)明中實(shí)施例7中集成芯片的結(jié)構(gòu)介紹示意圖；

圖12是本發(fā)明實(shí)施例8中集成芯片陣列的介紹示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了一種單片集成收發(fā)一體光電芯片，包括襯底1、光吸收單元和光發(fā)射單元；所述光發(fā)射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向；所述光發(fā)射單元的光激射波長(zhǎng)構(gòu)成光電芯片的發(fā)射光譜區(qū)，所述光吸收單元吸收波長(zhǎng)構(gòu)成光電芯片的吸收光譜區(qū)，所述吸收光譜區(qū)和所述發(fā)射光譜區(qū)不重疊；所述光吸收單元包括依次層疊于襯底1上的第一半導(dǎo)體材料層2、第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4，所述第三半導(dǎo)體材料上設(shè)有絕緣層5，所述光吸收單元和光發(fā)射單元通過(guò)絕緣層5電隔離；所述光發(fā)射單元包括第一反射鏡6、光學(xué)腔7和第二反射鏡8，所述光學(xué)腔7位于第一反射鏡6上，所述第二反射鏡8位于光學(xué)腔7上；光吸收單元接收的位于吸收光譜區(qū)的信號(hào)光經(jīng)過(guò)光發(fā)射單元后入射，而光發(fā)射單元的反射譜在吸收光譜區(qū)具有低于50％的反射率。

所述第一半導(dǎo)體材料層2、第二半導(dǎo)體材料層3、第三半導(dǎo)體材料層4、絕緣層5、第一反射鏡6、第二反射鏡8可以是n型摻雜，p型摻雜，本征無(wú)摻雜或非特意摻雜；所述光學(xué)腔7為本征區(qū)或非特意摻雜區(qū)。

作為優(yōu)選的，所述光學(xué)腔7又In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一種材料層或多種不同的材料層構(gòu)成，所述光學(xué)腔中含有In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN材料構(gòu)成的多量子阱或多層量子點(diǎn)有源區(qū)，其中0≤x≤1，0≤y≤1，在被注入電流的情況下可激射的光波波長(zhǎng)為700nm～1700nm。

作為優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體材料層2、第二半導(dǎo)體材料層3或第三半導(dǎo)體中包括由In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN半導(dǎo)體材料構(gòu)成的吸收層，所述吸收層為多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，且吸收700nm～1700nm波長(zhǎng)的入射光波，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

作為優(yōu)選的，所述吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖的850nm通信窗口、1310nm通信窗口或1550nm通信窗口

作為優(yōu)選的，所述光發(fā)射單元的光激射方向指向光吸收單元所在方向的反方向。

作為優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體材料層2、第二半導(dǎo)體材料層3、第三半導(dǎo)體材料層4和所述光學(xué)腔7為In_xGa_yAl_1-x-yAs，In_xGa_yAs_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN或In_xGa_yAs_1-x-yN中的一種或多種材料層構(gòu)成，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。

作為優(yōu)選的，所述絕緣層5由絕緣膠構(gòu)成，或由In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半導(dǎo)體材料經(jīng)濕法氧化工藝轉(zhuǎn)變的絕緣材料構(gòu)成，其中，0≤x≤1，y≥0.94。

作為優(yōu)選的，所述第一反射鏡6和第二反射鏡8為多層由不同材料構(gòu)成的布拉格反射鏡或亞波長(zhǎng)光柵反射鏡；所述構(gòu)成布拉格反射鏡或亞波長(zhǎng)光柵反射鏡的材料包括In_xGa_yAl_1-x-yAs、In_xGa_yAs_1-x-yP、In_xGa_yAl_1-x-yP，In_xGa_yAl_1-x-yN、In_xGa_yAs_1-x-yN半導(dǎo)體材料，SiO₂、TiO₂、MgF、Si介質(zhì)膜材料。

作為優(yōu)選的，所述第一反射鏡6、第二反射鏡8中至少一個(gè)反射鏡含有至少一層In_xAl_yGa_1-x-yAs、In_xAl_yGa_1-x-yP或In_xAl_yGa_1-x-yN半導(dǎo)體材料，其中0≤x≤1，y≥0.94，且該層半導(dǎo)體材料經(jīng)濕法氧化工藝部分氧化為絕緣材料并構(gòu)成注入電流限制窗口。

作為優(yōu)選的，所述光吸收單元為PIN光電探測(cè)器、雪崩光電探測(cè)器或單行載流子光電探測(cè)器。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的單片集成收發(fā)一體光電芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中襯底1為n型摻雜的GaAs，第一半導(dǎo)體材料層2為300nm厚n型摻雜Al_0.2Ga_0.8As層，第二半導(dǎo)體材料層3由1600nm厚本征的或非特意摻雜GaAs構(gòu)成的光吸收層，第三半導(dǎo)體材料層4由300nm厚p型摻雜的Al_0.2Ga_0.8As層和10nm厚p型摻雜的GaAs層構(gòu)成，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4構(gòu)成的光吸收單元構(gòu)成PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。第一反射鏡6為33對(duì)n型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料構(gòu)成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學(xué)腔7由本征的或非特意摻雜的Al_0.2Ga_0.8As/MQW/Al_0.2Ga_0.8As構(gòu)成，諧振波長(zhǎng)位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)，其中MQW是由5對(duì)4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱區(qū)和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As勢(shì)壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對(duì)p型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料構(gòu)成的反射鏡，靠近光學(xué)腔7側(cè)為第一對(duì)。在第二反射鏡8中第1對(duì)和第2對(duì)Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通過(guò)濕法氧化將其氧化為Al₂O₃絕緣層5，中心留出6微米直徑的區(qū)域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖3，4，45可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖850nm附近的通信窗口。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供的單片集成收發(fā)一體光電芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導(dǎo)體材料層2為300nm厚p型摻雜Al_0.2Ga_0.8As層，第二半導(dǎo)體材料層3由1600nm厚本征的或非特意摻雜GaAs構(gòu)成的光吸收層，第三半導(dǎo)體材料層4由300nm厚n型摻雜的Al_0.2Ga_0.8As層和10nm厚n型摻雜的GaAs層構(gòu)成，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4構(gòu)成的光吸收單元構(gòu)成PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工藝實(shí)現(xiàn)中通過(guò)濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來(lái)實(shí)現(xiàn)光吸收器單元和光發(fā)射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對(duì)n型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料構(gòu)成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學(xué)腔7由本征的或非特意摻雜的Al_0.2Ga_0.8As/MQW/Al_0.2Ga_0.8As構(gòu)成，諧振波長(zhǎng)位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)，其中MQW是由5對(duì)4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱區(qū)和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As勢(shì)壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對(duì)p型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料構(gòu)成的反射鏡，靠近光學(xué)腔7側(cè)為第一對(duì)。在第二反射鏡8中第1對(duì)和第2對(duì)Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通過(guò)濕法氧化將其氧化為Al₂O₃絕緣層5，中心留出6微米直徑的區(qū)域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖850nm附近的通信窗口。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供的單片集成收發(fā)一體光電芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導(dǎo)體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導(dǎo)體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構(gòu)成，其中MQW由10對(duì)InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成，作為光吸收區(qū)，吸收光譜區(qū)位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導(dǎo)體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構(gòu)成，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4構(gòu)成的光吸收單元構(gòu)成PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工藝實(shí)現(xiàn)中通過(guò)濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來(lái)實(shí)現(xiàn)光吸收器單元和光發(fā)射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對(duì)n型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料構(gòu)成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學(xué)腔7由本征的或非特意摻雜的GaAs/MQW/GaAs構(gòu)成，諧振波長(zhǎng)位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中MQW由3對(duì)6nm厚的In_0.35N_0.018Ga_0.632As阱區(qū)和25nm厚的GaAs勢(shì)壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對(duì)p型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料構(gòu)成的反射鏡，靠近光學(xué)腔7側(cè)為第一對(duì)。在第二反射鏡8中第1對(duì)和第2對(duì)Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通過(guò)濕法氧化將其氧化為Al₂O₃絕緣層5，中心留出13微米直徑的區(qū)域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖3，4，5可以看到，反射鏡第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖1310nm附近的通信窗口。

實(shí)施例4

本實(shí)施例提供的單片集成收發(fā)一體光電芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導(dǎo)體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導(dǎo)體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構(gòu)成，其中MQW由10對(duì)InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成，作為光吸收區(qū)，吸收光譜區(qū)位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導(dǎo)體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構(gòu)成，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4構(gòu)成的光吸收單元構(gòu)成PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工藝實(shí)現(xiàn)中通過(guò)濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來(lái)實(shí)現(xiàn)光吸收器單元和光發(fā)射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對(duì)n型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料構(gòu)成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖6所示。光學(xué)腔7由本征的或非特意摻雜的GaAs/量子點(diǎn)有源區(qū)/GaAs構(gòu)成，諧振波長(zhǎng)位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點(diǎn)有源區(qū)是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點(diǎn)構(gòu)成。第二反射鏡8由29對(duì)p型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料構(gòu)成的反射鏡，靠近光學(xué)腔7側(cè)為第一對(duì)。在第二反射鏡8中第1對(duì)和第2對(duì)Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料間插入一層30nm厚的p摻雜Al_0.96Ga_0.04As并在器件加工中通過(guò)濕法氧化將其氧化為Al₂O₃絕緣層5，中心留出13微米直徑的區(qū)域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8具有如圖7所示意的反射譜。圖8示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖6，7，8可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖1310nm附近的通信窗口。

實(shí)施例5

本實(shí)施例提供的單片集成收發(fā)一體光電芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示，其中襯底1為p型摻雜的GaAs，第一半導(dǎo)體材料層2為300nm厚p型摻雜GaAs層，第二半導(dǎo)體材料層3由本征的或非特意摻雜GaAs/MQW/GaAs構(gòu)成，其中MQW由10對(duì)InGaAs/GaAs量子阱構(gòu)成，作為光吸收區(qū)，吸收光譜區(qū)位于光纖的1310nm光通信窗口，第三半導(dǎo)體材料層4由300nm厚n型摻雜的GaAs層構(gòu)成，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3和第三半導(dǎo)體材料層4構(gòu)成的光吸收單元構(gòu)成PIN光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)。絕緣層5為30nm厚的n型摻雜Al_0.98Ga_0.02As材料并在器件工藝實(shí)現(xiàn)中通過(guò)濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來(lái)實(shí)現(xiàn)光吸收器單元和光發(fā)射單元的電隔離。第一反射鏡6為33對(duì)n型摻雜的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料構(gòu)成的反射鏡，其反射譜示意圖如圖3所示。光學(xué)腔7由500nm厚的p摻雜GaAs，30nm厚的p摻雜Al_0.96Ga_0.04As以及本征的或非特意摻雜的GaAs/量子點(diǎn)有源區(qū)/GaAs構(gòu)成，諧振波長(zhǎng)位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點(diǎn)有源區(qū)是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點(diǎn)構(gòu)成，而Al_0.96Ga_0.04As層在器件加工中通過(guò)濕法氧化將其氧化為Al₂O₃絕緣層5，中心留出13微米直徑的區(qū)域不氧化，作為注入電流限制窗口。第二反射鏡8是由Si/SiO₂材料的亞波長(zhǎng)光柵構(gòu)成。第二反射鏡8具有如圖4所示意的反射譜。圖5示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖1310nm附近的通信窗口。

實(shí)施例6

如圖10所示，其中襯底1為p型摻雜的InP，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3，第三半導(dǎo)體材料層4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料構(gòu)成雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)(APD)，其吸收光譜區(qū)位于光纖的1550nm光通信窗口。第一反射鏡6是由Si/SiO₂材料的亞波長(zhǎng)光柵構(gòu)成，具有如圖3所示意的反射譜。絕緣層5為BCB絕緣膠構(gòu)成的絕緣層5，并且用于粘合在另一InP襯底1上制作的光學(xué)腔7和第二反射鏡8。光學(xué)腔7由10nm厚n型摻雜InGaAs，300nm厚n型摻雜InP以及本征的或非特意摻雜的InP/MQW/InP構(gòu)成，光學(xué)腔7和絕緣層5共同構(gòu)成的諧振腔諧振波長(zhǎng)位于集成芯片的發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6對(duì)InAlGaAs/InGaAsP量子阱構(gòu)成。第二反射鏡8由p型摻雜45對(duì)InAlGaAs/InGaAsP材料構(gòu)成，具有如圖4所示意的反射譜。粘合工藝完成后將位于第二反射鏡8一側(cè)的InP襯底1去除。圖5示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖3，4，5可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖1550nm附近的通信窗口。

實(shí)施例7

如圖11所示，其中襯底1為n型摻雜的InP，第一半導(dǎo)體材料層2，第二半導(dǎo)體材料層3，第三半導(dǎo)體材料層4由InGaAlAs/InGaAs/InGaAsP/InP材料構(gòu)成單行載流子光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)(UTC-PD)，其吸收光譜區(qū)位于光纖的1550nm光通信窗口。第一反射鏡6是由Si/SiO₂材料的亞波長(zhǎng)光柵構(gòu)成，具有如圖6所示意的反射譜。絕緣層5為BCB絕緣膠構(gòu)成的絕緣層5，并且用于粘合在另一InP襯底上制作的光學(xué)腔7和第二反射鏡8。光學(xué)腔7由10nm厚p型摻雜InGaAs，300nm厚p型摻雜InP以及本征的或非特意摻雜的InP/MQW/InP構(gòu)成，光學(xué)腔7和絕緣層5共同構(gòu)成的諧振腔諧振波長(zhǎng)位于集成芯片的發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1550nm光通信窗口)，其中MQW是由6對(duì)InAlGaAs/InGaAsP量子阱構(gòu)成。第二反射鏡8由n型摻雜45對(duì)InAlGaAs/InGaAsP材料構(gòu)成，具有如圖7所示意的反射譜。粘合工藝完成后將位于第一半導(dǎo)體材料層2一側(cè)的InP襯底1去除。圖8示意了集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射譜。從圖6，7，8可以看到，第一反射鏡6，第二反射鏡8以及集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜均在吸收光譜區(qū)具有低的反射率(反射率低于50％)，而在發(fā)射光譜區(qū)第一反射鏡6和第二反射鏡8具有高的反射率(反射率大于90％)，而集成芯片整體結(jié)構(gòu)的反射光譜由于光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔作用，在位于發(fā)射光譜區(qū)的光學(xué)諧振波長(zhǎng)上反射率降低。本實(shí)施例集成芯片的吸收光譜區(qū)和發(fā)射光譜區(qū)位于光纖1550nm附近的通信窗口。

實(shí)施例8

如圖12所示，由實(shí)施例1所實(shí)現(xiàn)的單片集成收發(fā)一體光電芯片所構(gòu)成的集成芯片陣列。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N單片集成收發(fā)一體光電芯片，將光發(fā)射單元和光吸收單元縱向疊加集成在一起，利用光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，使光發(fā)射單元的光學(xué)諧振腔在激光器的發(fā)射波長(zhǎng)上形成高Q的諧振腔結(jié)構(gòu)，光發(fā)射單元諧振腔的兩個(gè)反射鏡的反射率均大于96％，以利用激光器的激射，而在光吸收單元的探測(cè)光譜區(qū)則形成一個(gè)寬光譜(＞5nm)的的高透射(透射率>50％)低反射(反射率<50％)的光譜區(qū)，以提高光吸收單元半導(dǎo)體光電探測(cè)器的量子效率。整體集成芯片只應(yīng)用一個(gè)光學(xué)腔7，同時(shí)起到光發(fā)射上的諧振增強(qiáng)與光吸收上的高透濾波功能，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的發(fā)射與接收，而且實(shí)現(xiàn)工藝更加簡(jiǎn)便。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。