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、社會服務(wù)等各個領(lǐng)域向人們的日常工作、生活的各個方面逐步加速滲透，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人類的思維、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)一步推動了自身的飛速發(fā)展。在我國，云計算和大數(shù)據(jù)服務(wù)也受到了極大的關(guān)注和推動，國家十二五規(guī)劃綱要、“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃將云計算列為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重點領(lǐng)域。2015年《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》中更具體提到要實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，這標(biāo)志著大數(shù)據(jù)已被國家納入創(chuàng)新戰(zhàn)略層面，成為國家戰(zhàn)略計劃的核心任務(wù)之一。進(jìn)而，作為大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略服務(wù)支撐的云計算也同時獲得了新的發(fā)展契機。目前，國家工信部正在制定大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)和云計算的“十三五”發(fā)展規(guī)劃。

技術(shù)上看這一重要的“云”基本上由三個同等重要的系統(tǒng)構(gòu)成。存儲用戶數(shù)據(jù)和信息資源的數(shù)據(jù)中心、聯(lián)結(jié)各個數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)及聯(lián)結(jié)終端用戶到各個數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)。對于數(shù)據(jù)中心，其由多層交換機或路由器架構(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，幾乎所有的交換機和路由器間的連接都由其實現(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)勢包括滿足不斷更新的應(yīng)用對多種特性流量的聯(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)點數(shù)、競爭解決和高速的光連接存儲。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：單模光纖；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。對于兩種方案其收發(fā)端的研究重點是VCSEL和硅光子學(xué)集成芯片(Si-Photonics)，其評價主要從三個方面來考慮：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。

對于垂直腔面發(fā)射激光器，自1996年首支VCSEL投入商用以來,已經(jīng)有超過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)方式實現(xiàn)，如4×10Gb/s、4×25Gb/s或8×12.5Gb/s等來實現(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-接收端來看，多年來沒有太多的變化，采用高速的分立GaAs/InGaAs PIN、APD或Ge波導(dǎo)探測器作為接收器件，更進(jìn)一步嘗試與IC集成在一起，以及為了實現(xiàn)波分復(fù)用光通信中光信號的波長解復(fù)用接收，集成了諧振腔光波濾波器和諧振腔增強型光探測器而提出的多腔波長解復(fù)用探測器，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。但是對于光互聯(lián)通道單位體積或面積傳輸帶寬指標(biāo)來看，它占了將近一半的指標(biāo)。而且對于更高集成密度的單纖雙向信道來看，復(fù)雜的光學(xué)組件不僅沒有降低模組尺寸，反而進(jìn)一步增加了占用面積。在系統(tǒng)構(gòu)成中，分立的探測組件也必然對應(yīng)著單獨的耦合封裝需求，增加封裝的成本。而在激光器與探測器集成方面，目前采用的主要研究思路是將兩種器件在Si光學(xué)襯底上實現(xiàn)封裝集成，并通過Si光學(xué)襯底上的光波導(dǎo)實現(xiàn)連接,稱之為Si光子集成芯片；而在單片集成方面，一些研究項目將VCSEL與PD在同一芯片上實現(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是VCSEL和探測器無法同時實現(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)射光源或光信號探測器，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是無法同時實現(xiàn)光信號的發(fā)射與接收。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，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)或多層量子點結(jié)構(gòu)，且吸收700nm～1700nm波長的入射光波，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光柵反射鏡；所述構(gòu)成布拉格反射鏡或亞波長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光電探測器、雪崩光電探測器或單行載流子光電探測器。

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?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光譜區(qū)則形成一個寬光譜(＞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)體光電探測器的量子效率。整體集成芯片只應(yīng)用一個光學(xué)腔，同時起到光發(fā)射上的諧振增強與光吸收上的高透濾波功能，可以同時實現(xiàn)光信號的發(fā)射與接收，而且實現(xiàn)工藝更加簡便。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中集成芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例2中集成芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中第一反射鏡所實現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中第二反射鏡所實現(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)明實施例中第一反射鏡所實現(xiàn)的反射譜示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例中第二反射鏡所實現(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)明實施例8中集成芯片陣列的介紹示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(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)的信號光經(jīng)過光發(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結(jié)構(gòu)，且吸收700nm～1700nm波長的入射光波，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光柵反射鏡；所述構(gòu)成布拉格反射鏡或亞波長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光電探測器、雪崩光電探測器或單行載流子光電探測器。

實施例1

本實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光電探測器結(jié)構(gòu)。第一反射鏡6為33對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，諧振波長位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)，其中MQW是由5對4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱區(qū)和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As勢壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對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。在第二反射鏡8中第1對和第2對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)諧振波長上反射率降低。本實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。

實施例2

本實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現(xiàn)中通過濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來實現(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，諧振波長位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)，其中MQW是由5對4nm厚的In_0.07Ga_0.93As阱區(qū)和6nm厚Al_0.37Ga_0.63As勢壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對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。在第二反射鏡8中第1對和第2對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)諧振波長上反射率降低。本實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。

實施例3

本實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現(xiàn)中通過濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來實現(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6nm厚的In_0.35N_0.018Ga_0.632As阱區(qū)和25nm厚的GaAs勢壘構(gòu)成。第二反射鏡8由29對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。在第二反射鏡8中第1對和第2對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)諧振波長上反射率降低。本實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。

實施例4

本實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現(xiàn)中通過濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來實現(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/量子點有源區(qū)/GaAs構(gòu)成，諧振波長位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點有源區(qū)是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點構(gòu)成。第二反射鏡8由29對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。在第二反射鏡8中第1對和第2對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)諧振波長上反射率降低。本實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。

實施例5

本實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現(xiàn)中通過濕法氧化將其完全氧化為Al₂O₃層來實現(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/量子點有源區(qū)/GaAs構(gòu)成，諧振波長位于集成芯片發(fā)射光譜區(qū)(位于光纖的1310nm光通信窗口)，其中量子點有源區(qū)是由5組每組3層GaAs上的InAs量子點構(gòu)成，而Al_0.96Ga_0.04As層在器件加工中通過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)諧振波長上反射率降低。本實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InAlGaAs/InGaAsP量子阱構(gòu)成。第二反射鏡8由p型摻雜45對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)諧振波長上反射率降低。本實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InAlGaAs/InGaAsP量子阱構(gòu)成。第二反射鏡8由n型摻雜45對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)諧振波長上反射率降低。本實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。

實施例8

如圖12所示，由實施例1所實現(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?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光譜區(qū)則形成一個寬光譜(＞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)體光電探測器的量子效率。整體集成芯片只應(yīng)用一個光學(xué)腔7，同時起到光發(fā)射上的諧振增強與光吸收上的高透濾波功能，可以同時實現(xiàn)光信號的發(fā)射與接收，而且實現(xiàn)工藝更加簡便。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，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)。