專利名稱：集成芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于數椐通信和遠程通信或用于分析應用的集成芯 片，其中該芯片可用于發(fā)射窄波帶光源的光，例如，激光器的光，或 發(fā)射寬帶光源的光，例如，光二極管的光，并能夠檢測激光器的光或 其他光源的光，例如，光二極管的光或生物標本等的焚光。
背景技術：
在數據通信和遠程通信中，激光器和光二極管用于發(fā)射光，而光 電檢測器用于檢測沿光導體已被傳送的光。激光器芯片通常用于發(fā)射 激光，并利用需要發(fā)送的信息調制該激光，而芯片形式的光電檢測器 用于檢測被接收的激光。每個這種功能通常包括不同的元件。
復合芯片也有多個功能，例如，發(fā)射和接收不同波長的激光，在 利用現(xiàn)有的解決方案時，需要使用昂貴的高精度對準幾個離散元件到 一個共同的硅基片上，例如，幾個分開的激光二極管，光二極管，光
電二極管，波長選擇性棱鏡，波導等，為的是按照這種方法實現(xiàn)有多 個功能的芯片，
所以，已知的這種芯片是昂貴的，而且它的制造過程也很復雜。

發(fā)明內容
本發(fā)明可以解決這個問題，并提供一種可用于多個功能的芯片， 與已知的芯片比較，它的制造過程較簡單，而且制造成本較低。
因此，本發(fā)明涉及一種用于至少一個，兩個或更多個波長的數據 通信，遠程通信和光學分析的集成芯片，其中該芯片不但可用于發(fā)射 光，而且還能夠檢測光，其特征是，該芯片包括有第一端口的波導， 該波導是從第一端口沿具有第二端口的至少一個第二波導和具有第 三端口的至少一個第三波導的方向擴展，這兩個波導之間是互相平行 或相互成一夾角，并被某個距離隔開，且上述芯片的各個元件是單片
集成的。


以下參照附圖中所示本發(fā)明的實施例，更詳細地描述本發(fā)明，其
中
圖l表示按照本發(fā)明的單片集成芯片的示意圖，
圖2表示按照本發(fā)明的基本結構剖面圖，
圖3是應用本發(fā)明的光學系統(tǒng)中第一個功能的示意圖，
圖4是應用本發(fā)明的光學系統(tǒng)中第二個功能的示意圖，
圖5表示另一種連接方案，
圖6表示按照本發(fā)明的兩個耦合元件。
具體實施例方式
因此，本發(fā)明涉及一種單片集成芯片，其中多個功能^皮集成到一 個單元上，例如，傳輸和接收多個波長。
作為基本原理，為了實現(xiàn)一種直接單片集成的方法，在已制成子 元件的材料中，必須犧牲每個所含元件的某些性能，例如，增大的內 部損耗或調制速度的限制，這是由于共同的基本結構需要適合于所有 包含的元件。對于任何單個子元件的功能，不可能優(yōu)化它的基本結構。
然而，出現(xiàn)的損耗等因素不能完全去掉其功能性它們僅僅受到 一定程度的限制，而留下的性能在應用范圍內足以滿足它的技術要 求。
因此，本發(fā)明涉及一種用于至少一個，兩個或更多個波長的數據 通信，遠程通信和光學分析的集成芯片，其中該芯片不但可用于發(fā)射 光，而且還能夠檢測寬頻語范圍內的光，例如，用于數據通信和遠程 通信的1480-1600 nm,或用在光學分析的另 一個光譜范圍。
圖l表示按照本發(fā)明在金屬化之前的單片集成芯片的示意圖，它 包括輸入波導，多模干涉儀(MMI)耦合，和在輸出端的分布反饋 (DFB)激光器。
按照本發(fā)明，芯片1包括有第一端口 3的波導2，從第一端口 3 應當能夠引入或引出光。波導2從第一端口 3沿有第二端口 5的第二
波導4和有第三端口 7的第二波導6的方向擴展，第二端口 5與第三 端口 7之間放置成互相平行或成一夾角，并被某個距離隔開。端口 5 和端口 7被安排成可以引導光進入和輸出。按照本發(fā)明，芯片1的各 個元件是單片集成的。
按照本發(fā)明，在耦合器之后的波導(2)的擴展部分可以引導進 入到多于兩個端口 。
按照本發(fā)明的 一個優(yōu)選實施例，第二波導4和第三波導6中的每 個波導與各自的光柵9， 10—起構成RWG-DFB激光器，該激光器被 調諧到不同或相同的波長。
為了檢測入射光，最好是，光電檢測器25， 26,例如，光電二 極管，被安排成代替激光器或光二極管，或位于DFB激光器之后的 光電檢測器，用作激光器狀態(tài)的監(jiān)測器，或在該元件壽命期間的光二 極管。
按照本發(fā)明的第二個優(yōu)選實施例，光二極管被安排在第一波導 (2),和在第二波導(4)和/或第三波導(6)。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，波導的擴展部分8包括波長選擇 性耦合器，為的是實現(xiàn)同時的雙向功能。按照這種方法，可以使用這 種類型的波長選擇性耦合器，例如，MMI耦合器，倏逝耦合器，陣 列波導耦合器等，原則上，它們不產生功率損耗，因為某個波長的所 有光被引導到需要檢測的端口 ，在傳輸的情況下也是如此。
然而，最好是使用多模干涉儀(MMI)，因為它的制作是穩(wěn)定 的，并可以制作成與偏振無關.此外，它可以處理多個波長，且端口 的數目也可以變化。此外，能夠以低的成本制造MM1。而且，有或 沒有分開輸入波導的倏逝耦合器可以有與MMI耦合器相同的優(yōu)點， 此外，它完全沒有來自端口的內部反射。倏逝耦合器可以由兩個或多 個波導構成。
MMI波導8允許入射的基模擴展成幾個高階模與基模的組合。 產生的干涉圖形取決于基本結構的厚度和折射率，以及在過程中出現(xiàn) 的其他材料，和MMI波導的實際尺寸。可以按照這樣的方法設計1x2 MMI，在與輸入端口隔開某個距離(對應于MMI的長度)的兩個入 射波導在不同的位置(相對于MM1的寬度)有最大值疊加，在這兩 個位置放置各自的輸出端口 。 MMI和其他的耦合器可以有對稱功能， 即，若輸出端口具有光輸入的功能，則兩個輸入端口的光可以到達單 個輸出端口，此外，MM1和倏逝耦合器可以被設計成與偏振無關， 這一點是非常重要的。此外，它們可以被設計成小型化，這對于低成 本應用和減小光吸收是重要的。
按照另一個實施例，波導的擴展部分8包括稱之為"星形耦合器" 的耦合器。星形耦合器可以擴展從光纖輸入的光模，因此，可以相鄰 地放置兩個端口。 DFB濾波器或另一個濾波器的變型放置在平4亍的端 口上，從而使僅僅一個波長可以傳輸通過每個端口。這是小型4匕的解 決方案，但是，大部分的輸入光功率在損耗中丟失。
在波導的擴展部分8包括星形耦合器的情況下，波長選棒'hi濾波 器(未畫出)分別形成在第二端口 5和第三端口 7。
圖2表示按照本發(fā)明的基本結構。圖2所示例子中的基本結構已 被處理成RWG激光器。
利用MOCVD或MBE技術，在InP (或GaAs )的基片上制成 外延層。
該基本結構包括，從頂部向下，Ti/Pt/Au p-接點11, p-InGaAs 接點層12, SiN、或SKX層13, p-lnP包層14, p-SCH:InGaAsP或 AlInGaAs層15,被阻擋層包圍的量子阱24層16或二者都是用體層 23代替。在圖2的右側是放大比例的層16,由此可以清楚地看出， 層16包括1至24個量子阱層和阻擋層的交替層，為的是產生1310nm 的波長，或1至24個量子阱層和阻擋層的交替層，或利用體層代替 這兩類層，用于產生或檢測第二波長，例如，在頻帶1480-1600 nm 中的第二波長1550 nm。為了得到與偏振無關的光電檢測器，利用體 層的主要優(yōu)點是，它對于入射信號的TE模和TM模有相同的靈敏度。 借助于應力優(yōu)化量子阱包或體層，也可以得到與偏振無關的光電檢測 器，因此，TE模和TM模在光電檢測器中的吸收是相同的。此外，
該基本結構包括n-SCH:lnGaAsP或AlInGaAs層17,在此之后是 n-InP的緩沖層18，其厚度為0.5 pm,和厚度為1 的n包層。在 該層以下是n-InP基片19, 500 A Ti-VV的n-接點20,在此之后是厚 度為1000-4000 A的Au層。還有焊接層21和CuW, A1N或其他物 質的基片22。層15和17的厚度可以是1.1 nm，層19的厚度是80-120 pm。波導2, 5, 7的寬度可以是5-15 (im,
可以省略SiN、/SiO、層，而p包層與n包層的蝕刻深度可以不同， 它可以重新生長或填充PCB 或類似的聚合物，相同的過程可用于 MMI,但波導的寬度可以高達100 nm。
利用常規(guī)的方法，例如，金屬有機化學汽相沉積(MOCVD)或 分子束外延(MBE),可以制作按照本發(fā)明的基本結構，若具有相同 蝕刻深度的子元件可以得到足夠的功能，則可以保持隨后的過程步驟 數目非常低。當然，可以利用多種蝕刻深度，這能提高系統(tǒng)的性能， 但是，它增加系統(tǒng)的制造成本，若要求制造CD-ROM激光器有極低 的制造成本，則這種制造成本增加可能是個障礙.然而，為了在構成 該系統(tǒng)部分的子元件之間形成光和電絕緣，可能需要較大的蝕刻深 度。
所述基本結構是被抗蝕劑覆蓋，并可以利用電子束，光刻或干涉 圖形制作圖形，為的是隨后進行干蝕刻或濕蝕刻以制成波導結構。
燭刻可以終止在p接點層，p包層，有源波導，或n包層。
然后，該結構可以重新生長電阻性InP， GaAs, InGaAs ， InGaAsP, InAlGaAs,或它可以被PCB或類似的聚合物覆蓋，它是 部分地或全部覆蓋波導的邊緣，或在此之再后覆蓋抗蝕劑，其中已限 定接觸面(墊片)，它利用汽相沉積或濺射涂敷約500 A Ti, 500 A Pt 和1000-4000 A Au，并在此后經受金屬剝離處理。
隨后可以利用氮化硅，氧化硅或其他的電介質材料覆蓋該基本結 構，在此之后，逐漸打開氮化硅等，因此，隨后的金屬化在被選取的 區(qū)域直接地與半導體接觸，而阻塞與其他區(qū)域的接觸。
從背面可以減薄這種結構，并在利用濺射涂敷(汽相沉積)500 ATi-W合金和1000-4000 A Au使背面金屬之前，拋光到總厚度為80-120 Mm。還可以借助于汽相沉積或濺射，在其背面涂敷厚度為4000-8000 A的Au-Sn的共析合金。
原則上，制造該芯片可以有三個方案。
第一個方案是基于稱之為"脊形波導，，的淺波導，它給出光的弱耦 合到波導。其優(yōu)點是，該方法可用于批量生產980 nm泵浦激光器， 且靈敏的有源層沒有被蝕刻通過。此外，利用RWG激光器的變型， 它在接觸金屬與半導體之間沒有SiN、或SiOx,可以獲得良好的結果， 其中在被蝕刻的區(qū)域中，即，在波導側面，電流原則上沒有從金屬傳 輸到半導體。然而，實際上，電流僅在波導頂部的高摻雜p接觸層中 流動，即，電流是在沒有被蝕刻的那個部分流動'
此外，在SiN、或SiO、材料中往往存在應力，該應力可以隨時拉 動半導體材料，并使該元件退化。已制成沒有中間電介質的非常穩(wěn)定 元件。實現(xiàn)低制造成本的主要優(yōu)點是，不需要利用靈敏的處理步驟， 其中在SiiV、或SiO、中制作開孔，為的是在正確的位置可以接觸半導 體。或者，僅僅保留一個不太靈敏的步驟，即，在光刻步驟中以精度 為+/-2-10 nm限定接觸墊片。若必須制作接觸開孔，則它所需的精度 為+/-1-2 (iin。
此外，可以減少步驟的數目，其中抗蝕劑是在隨后被Ti-Pt-Au 覆蓋的表面上，而與抗蝕劑相關的殘余物可以增大接觸電阻，或甚至 使產量大大下降，這是因為在制造期間很難檢測，該材料是透明的， 其厚度約為10-50 A。
第二個方案是按照980 nm型泵浦激光器的標準RWG方法，其 中SiNx/SiOx或另一種聚合物作為電介質。這個方案與所迷第一個方 案比較是更昂責，但是，它給出一些較高的性能。
第三個方案是更深地蝕刻通過有源波導，并借助于MOCVD或 HVPE,重新生長有電阻性InP的元件。這個方案給出較高的元件性 能，但是，與此同時，它是一個最昂貴的制造方案。然而，它確實給 出最高的性能。按照所有以上的方案，可以制作該集成芯片。
蝕刻可以是干蝕刻或濕蝕刻，而利用光刻技術或電子束模式生 成，可以制成掩模圖形。利用電子束模式生成或光學干涉方法，可以 制成DFB和分布Bragg光柵(DBG )。最直接的制造方法是利用電 子束模式生成，為的是在相同的時間確定所有的波導類型，所有的 DFB和所有的DBG,并利用制作波導的千蝕刻方法進行組合，在相 同的過程步驟中蝕刻DFB和/或DGB,
然而，不能排除使用合適的濕蝕刻方法。
從設計觀點考慮，MMI和倏逝耦合器是靈活的，它們可以制造 成有不同數目端口和波長靈敏度的多種變型。例如，可以設想商業(yè)上 感興趣的情況，可以構造稱之為"三工制"系統(tǒng)，其中一個端口接收 14卯nm的信號，并在那個端口放置光電二極管。它們通常是在固定 的位置，以及接收1550 nm的數據，發(fā)射1310 nm的數據(在這兩種 情況下，它們都是數字編碼的數據)，還接收按照模擬方式編碼的14卯 nm的電纜電視信號。芯片可以按照與另一側鏈路相同的方法制成的， 它發(fā)射1550 nm和14卯nm的信息，而接收1310 nm的信息。
無側面的激光器與完全由光柵和光限定的諧振腔的組合在制造 期間是直接對準的，而光被直接引導到各種MMI波導，它也適合于 其他的應用。例如， 一種其他的應用是lxN MMI,它的N個輸出端 通過ITU通道連接到有不同激光波長的N個激光器，相對于其他方 案中的波長漂移，這可能是比較穩(wěn)定的。此外，總是可以得到所有的 波長，按照這種方式，在可調諧的應用中，原則上，改變波長所需的 時間是零?；蛘?，可以同時使用N個通道，或可以同時4吏用N/:2個通 道，余下的N/2個通道作為備用通道。此外，如果在各個單元中分開 波長管理或波導管理是有利的，這些單元可以設計或制造有大的MMI 或另一個耦合器的更具體要求，則應當能夠級聯(lián)耦合MMI和倏逝耦 合器。
圖3表示使用該芯片1的例子。單模光纖27引導1310 nm (在 1260-1360 nm波帶中)和1550 nm (在1480-1600 nm波帶中)兩個
波長的光來往于第一端口 3。在MM1 1中選取這樣的光，波長1310 nm 的光是在波導4，而波長1550 nm的光是在波導6。按照對應的方式， 在波導4中的激光器中可以產生波長1310 nm的光，而在波導6中的 激光器中可以產生波長1550 iim的光。最通常使用的是傳輸一個波長 的光，而接收另一個波長的光。
圖4與困3是基本相同的，但是，圖4中的MMI 1是由三個平 行的波導28， 29, 30構成，它們制作成激光器或光電檢測器。單模 光纖27中的入射光可以有兩個不同的波長，例:ft口， 1490 nm和1550 nm。借助于MMI，可以選取三個不同的波長，每個波長的光提供給 三個波導28, 29， 30中的一個波導，傳輸發(fā)生在1310nm (或者，傳 輸是在1490 nm和1550 nm,而接收是在1310 nm )。
圖5表示在單模光纖2中有四個不同波長的入射光的耦合，它們 在波導34， 36中沒有光柵的第一個MMI 30中被分割，因此，兩個 波長被選取到第一波導34,而其余兩個波長被選取到第二波導36。 波導32引導光到第二個MM131,而波導33引導光到第三個MMI 32。 光在各自的MMI31和MMI32中被分割，因此，僅僅選取一個波長 的光到波導37-40中的每個波導。波導37-40可以包括相關波長的激 光。由于耦合是遞歸的，每個端口可以配置成發(fā)射器或接收器。
圖6表示按照本發(fā)明的兩個耦合元件。這可以通過使用兩個元件 1實現(xiàn)，它們在解理之前被制成一個單元，可以在晶片上直接進行控 制測量以降低制造成本.
以上，我們已描迷多個實施例。顯然，專業(yè)人員可以對它們進行 改動，為的是適合于具體的應用。
一種應用是樣本的生物分析，其中利用寬光謙(光二極管， 1100-2000 nm)的光源或有窄波帶的一個或多個部分光譜(激光器) 進行光照明，來自樣本的熒光經波長選擇性耦合器被引導到單獨的光 電檢測器。還可以設想使用其他類型的耦合器，例如，多通道波長選 擇器，因此，波長選擇增加到幾個端口。借助于光電二極管的子波帶 吸收和利用在光二極管和激光器的激活區(qū)中的級聯(lián)耦合，可以增大光
電檢測的接收區(qū)和通過光二極管或激光器(1100-2000 nm)的光發(fā)射。 因此，本發(fā)明不應當被限制于以上描迷的實施例，因為在所附權 利要求書的范圍內可以作各種變化。
權利要求
1.一種用于至少一個，兩個或更多個波長的數據通信，遠程通信和光學分析的集成芯片，其中該芯片不但可用于發(fā)射光，而且還可用于檢測光，其特征是，芯片(1)包括有第一端口(3)的波導(2)，波導(2)是從第一端口(3)分別沿具有至少一個第二端口(5)的至少一個第二波導(4)和具有至少一個第三端口(7)的至少一個第三波導(6)的方向擴展，這兩個波導之間放置成互相平行或相互成一夾角，并被某個距離隔開，且芯片(1)的各個所述元件是單片集成的。
2. 按照權利要求1的集成芯片，其特征是，第二波導(4)和 第三波導(6)中的每個波導包括光柵(9, 10),其中每個波導構成 一個激光器，且這兩個激光器被調諧到相同或不同的波長。
3. 按照杈利要求1的集成芯片，其特征是，光二極管被安排在 第一波導(2),在第二波導(4)和/或第三波導(5)中的一個波導.
4. 按照權利要求1或2的集成芯片，其特征是，放置在激光器 (4， 6)之后的光電檢測器(25， 26)，例如，光電二極管，作為激光器的監(jiān)測器或代替激光器，它們被安排成檢測入射光。
5. 按照權利要求l, 2, 3或4的集成芯片，其特征是，倏逝耦 合器形成在波導(2)的擴展部分。
6. 按照權利要求1, 2, 3或4的集成芯片，其特征是，MMI 形成在波導(2)的擴展部分。
7. 按照權利要求l, 2, 3或4的集成芯片，其特征是，稱之為 "星形耦合器"的耦合器形成在波導(2)的擴展部分，
8. 按照權利要求7的集成芯片，其特征是，波長選擇性濾波器 (25， 26)分別形成在第二端口 (5)和第三端口 (7)。
9. 按照權利要求l, 2, 3, 4， 5, 6， 7或8的集成芯片，其特 征是，芯片(1)包括兩層(15, 17) InGaAsP或AUnGaAs,且在被 阻擋層(23)包圍的所述兩層之間存在量子阱(24)的疊層，或利用體層代替量子阱層和阻擋層。
10. 按照權利要求9的集成芯片，其特征是，量子阱或體層 (24 )是由InGaAsP或AIInGaAs制成，和阻擋層(23 )是由InGaAsP 或AIInGaAs制成。
11. 按照以上權利要求中任何一個的集成芯片，其特征是，在 耦合器之后的波導(2)的擴展部分展開成多于兩個端口。
全文摘要
一種用于數據通信，遠程通信和光學分析至少一個，兩個或多個波長的集成芯片，其中該芯片不但可用于發(fā)射光，而且還可用于檢測光。本發(fā)明的特征是，芯片(1)包括有第一端口(3)的波導(2)，波導(2)是從第一端口(3)分別沿至少一個第二端口(5)的第二波導(4)和至少一個第三端口(7)的第三波導(6)的方向擴展，這兩個波導之間放置成互相平行或成一夾角，并被某個距離隔開，以及芯片(1)的各個所述元件是單片集成的。
文檔編號H01S5/026GK101185209SQ200680019022
公開日2008年5月21日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權日2005年5月30日
發(fā)明者克里斯托弗·西爾韋紐斯 申請人:弗克斯塔爾通信股份公司