集成光子器件制造技术

集成于单个芯片（２０）的相应外延层上的激光器（２２）和检测器（２４）与片载和／或外部光学器件（６２）协作以将所述激光器发出的第一波长的光耦合到单个外部器件，诸如光纤（６０），并同时将从所述外部器件接收的不同波长的光耦合到检测器以提供双向光子操作。多个激光器和检测器可集成于该芯片上以提供多个双向通道。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的参照本申请要求2004年1月20日提交的美国临时专利申请No.60/537,248和2004年10月14日提交的美国临时专利申请No.60/618,134的权益，其公开内容结合在此作为参考。
技术介绍
本专利技术一般涉及光子器件，尤其涉及单片集成的发射和接收光子器件及其制造方法。例如结合或使用无源光学网络(PON)的许多光学系统需要将单根光纤同时用于以多个波长发送和接收信息。过去，这种性能很难实现，特别是按成本有效的方式，将全部访问单根光纤的多个分散的光子器件的组合表现出使这种结构太过昂贵的制造问题。PON系统的市场对价格极其灵敏，这导致这种网络的被高度期望的较宽范围的功能未能在经济上可行。其它光学系统中的多个光子器件的使用也遇到类似的困难，诸如高清晰度DVD，即使在这种应用中，通过使用分散的光子器件不能容易地获得所需的高级功能。专利技术概述根据本专利技术的一个方面，固态光接收和光发射光子器件被单片地集成于共用基片上，以提供单个芯片表面上的多个光学功能。用于提供双向光子操作的这些器件的集成通过多层外延得到优化，其中激光器和检测器可制造于一芯片上的分开台面上，以提供激光器和检测器同单个光纤的高效耦合。根据本专利技术的另一方面，多个光发射器和多个光检测器制造于单个芯片上以允许多个发射器和多个检测器同单个光纤的耦合。发射器可以是芯片表面上制造的表面发射器件，诸如2004年10月5日提交的美国申请No.10/958,069或2004年10月14日提交的申请No.10/963,739中所述的那些，其整体结合在此作为参考，或者可以是一芯片上制造的边缘发射激光器，诸如美国专利No.4,851,368或IEEE Journal of QuantumElectronics、卷8、1227-1231页，1992年5月中所述的那些，其中激光器输出耦合到光纤。检测器也可制造于同一芯片上，并可以是与同一光纤耦合的表面或边缘接收器件，用以接收来自光纤的光信号。在本专利技术的较佳形式中，每个激光器都以不同的波长发光且每个检测器都以与发射光的波长不同的波长接收光。简要地，本专利技术结合了同一芯片上制造的激光器发射器和光电检测器，其中一个或多个半导体检测器结构外延地沉积于基片上的重叠层中，且半导体发射器结构被外延地沉积于顶部检测器结构上。这些结构被蚀刻以形成结合了表面或边缘发射激光器的一个或多个发射器台面，用以将发射光引导到光纤，并形成结合了表面或边缘接收检测器的一个或多个检测器台面，用以接收来自光纤的光。如需要，反射器、偏转器、棱镜、光栅或其它衍射元件和/或透镜也可整体地制造于基片上或位于与该芯片相邻之处，以引导发射光或接收光。在本专利技术的一种形式中，单片集成的光子芯片包括承载半导体检测器外延结构的基片，其中半导体激光器结构使用已知沉积技术外延地沉积于检测器结构上。通过蚀刻在发射器结构中制造表面发射激光器，并用通过蚀刻穿过检测器结构到达基片形成的沟槽包围该表面发射激光器。通过蚀刻掉覆盖的激光器结构，暴露邻近激光器的检测器结构的表面，以形成包围或基本包围激光器的检测器接收器表面并通过沟槽与之隔开，从而激光器和检测器形成共用基片上的分开台面。激光器表面上的金属层提供了用于施加合适偏压的电接触，以使激光器结构产生已知波长的激光。表面发射激光器用作光源，将光束向上引导通过外部透镜到达外部光学器件，诸如单个光纤。光纤也可将第二波长的光引向芯片，其中该接收光穿过透镜。由于接收光的波长与激光器发射的光的波长不同，接收光将不被聚焦回激光器，而是将由透镜引向包围激光器源的区域，在这里它被检测器结构接收。在本专利技术的另一实施例中，单片集成芯片包括两个重叠的外延沉积的检测器结构，其中单个发射器层重叠于顶部检测器结构上。表面发射激光器通过蚀刻制造于该芯片上的激光器结构中的台面上，并通过沟槽与包围的检测器台面分开。随后，将激光器结构从包围的双结构检测器台面的表面上去除。可激励该激光器以发出第一波长的光，该光可如上所述地通过透镜引向光纤。但在该实施例中，两个检测器结构能分别接收第二和第三波长的光。在表面发射激光器的端部和侧部周围设置检测器台面以基本包围激光器的发射器端优化了激光器和检测器同诸如光纤的单个输入/输出器件的双向耦合。在本专利技术的又一实施例中，多个表面发射激光器可并排制造于芯片的激光器结构中的各个台面上，其中阵列中的每个激光器都发出不同波长的光。按类似的方式，多个个别的检测器可并排制造于检测器结构中的各个台面上，其中每个检测器都能接收一不同波长的光。如需要，发射器和检测器可通过诸如棱镜的外部衍射元件和合适的透镜光耦合到单个光纤。边缘发射激光器以及表面接收或边缘接收检测器也可用于本专利技术的单片集成的双向光子器件的制造。在一个这种实施例中，边缘发射激光器制造于激光器结构中的一台面上且反射器制造于例如邻近激光器退出面的激光器结构中的芯片上，以垂直向上引导第一波长的发射光。反射器可结合平坦的或弯曲的反射器表面以通过外部透镜将光向上引导到诸如光纤的输入/输出器件。反射器由与激光台面分开的台面上的暴露的表面接收检测器结构包围，该表面接收检测器结构接收来自光纤的第二波长的光。在另一实施例中，反射器表面包括二向色涂层，它反射第一波长的激光并经由反射器主体通过第二波长的接收光到达下面的检测器结构。多个边缘发射激光器可制造于芯片上的激光器结构阵列中，以借助诸如棱镜或光栅的衍射元件将相应波长的光引向外部光纤。该阵列也可包括检测器结构中的分开台面上制造的多个端部接收检测器，它们被排列成接收来自光纤的不同频率的光，从而提供了根据本专利技术的激光器和检测器通道的单片集成阵列。附图概述本专利技术的前述和附加的目的、特点和优点将通过其较佳实施例的以下详细描述并结合附图而变得显而易见，附图中附图说明图1示出了包括一个基片上的激光器结构和检测器结构的双层外延芯片结构。图2示出了根据本专利技术第一实施例的包括图1的芯片的激光器结构中制造的表面发射激光器和检测器结构中制造的表面接收检测器的单片集成的光子器件的侧视图。图3是图2器件的俯视图。图4示出了包括一个基片上的一个激光器结构和两个检测器结构的三层外延芯片结构。图5是根据本专利技术另一实施例的包括图4的芯片的激光器结构中制造的表面发射激光器和检测器结构中制造的两个表面接收检测器的单片集成的光子器件的侧视图。图6是根据本专利技术另一实施例的在共用芯片上相应的激光器和检测器结构中结合了表面发射激光器阵列和表面接收检测器阵列的单片集成光子器件的俯视图。图7是与用于将芯片上的激光器和检测器光耦合到光纤的外部棱镜和透镜组合的图6器件的侧视图。图8是根据本专利技术另一实施例的结合了图1的芯片的激光器结构中制造的边缘发射激光器和检测器结构中制造的表面接收检测器并结合了发射光的偏转器的单片集成的光子器件的侧视图。图9是结合了具有弯曲表面的偏转器的图8的器件的修改形式的侧视图。图10是图9的器件的俯视图。图11是图8的光子器件的修改形式的侧视图，其中偏转器包括二向色涂层，它反射激光器发出的光并通过经由偏转器主体的接收光到下面的检测器结构。图12是图11的器件的俯视图。图13是用于图11的器件的二向色滤光器示例的反射特性的曲线图。图14是结合了通过棱镜与外部光纤耦合的边缘发射激光器和边缘接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子器件，包括：　　　　基片；　　　　所述基片上的相互重叠的至少第一和第二外延结构；　　　　在所述第一外延结构中制造的至少第一蚀刻面光子元件；以及　　　　在所述第二外延结构中制造的至少第二光子元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-1-20 60/537,248;US 2004-10-14 60/618,1341.一种光子器件，包括基片；所述基片上的相互重叠的至少第一和第二外延结构；在所述第一外延结构中制造的至少第一蚀刻面光子元件；以及在所述第二外延结构中制造的至少第二光子元件。2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一蚀刻面光子元件是具有发射器端的至少一个激光器。3.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述蚀刻面以约45°的角度位于所述激光器的所述发射器端，以提供一表面发射激光器。4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第二光子元件是至少一个光学检测器。5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述第一光子元件是具有发射端的至少一个激光器。6.如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述检测器基本包围所述激光器的发射器端。7.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述检测器是p-i-n二极管。8.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述检测器是雪崩光电检测器。9.如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述激光器被制造为发射第一波长的光，且所述检测器被制造为检测第二波长的光。10.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述激光器是表面发射激光器。11.如权利要求9所述的器件，其特征在于，所述激光器和所述检测器在所述基片上的分开的台面上。12.如权利要求3所述的器件，其特征在于，还包括用于将从所述激光器发射的光耦合到光纤的外部光学元件。13.如权利要求12所述的器件，其特征在于，所述外部光学元件包括用于将从所述激光器发出的光引导到所述光纤的透镜。14.如权利要求10所述的器件，其特征在于，还包括被优化为将所述第一波长的光聚焦于外部光学器件上的外部透镜，且所述透镜将从所述外部光学器件接收的所述第二波长的光耦合到所述检测器。15.如权利要求2所述的器件，其特征在于，所述激光器是被制造为以第一波长发射光的边缘发射激光器，所述第二光子元件是被制造为以第二波长检测光的检测器，其中所述激光器和所述检测器位于所述基片上的分开的台面上。16.如权利要求15所述的器件，其特征在于，还包括与所述激光器对准的所述基片上的光学元件，用以将从所述激光器发出的光耦合到外部光学器件。17.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述光学元件是透镜。18.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述光学元件是衍射元件。19.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述光学元件是反射器。20.如权利要求16所述的器件，其特征在于，所述外部光学器件包括用于将发射光引导到光纤的透镜。21.如权利要求20所述的器件，其特征在于，所述透镜被优化为将所述发射光耦合到所述光纤，所述透镜将从所述光纤接收的第二波长的光耦合到所述检测器。22.如权利要求21所述的器件，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：AA贝法，MR格林，AT谢里默尔，
申请(专利权)人：宾奥普迪克斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]