[发明专利]具有介质波导的化合物半导体光子集成电路

说明书

通过外延在衬底上生长一种光子集成电路（PIC）。该PIC包括至少一个有源元件、至少一个无源元件和介质波导。至少一个有源和无源元件形成在衬底之上并且彼此光接触。该介质波导形成在衬底之上，并且与该至少一个有源和无源元件光接触。使用III‑V化合物半导体材料来形成该至少一个有源元件和无源元件。

技术领域

本发明涉及光子集成电路并且更特别地涉及半导体衬底和光子集成电路上的介质波导和介质结构。

背景技术

光子集成电路（PIC）将不同光功能集成在单个光子芯片上。PIC实现了使用高体积半导体晶片制造技术来产生复杂光电路。归因于上面提到的能力，PIC被用在光通信网络中。相应地，它们提供降低部件覆盖区、消除多个封装问题和多个光对准，并且最终实现在大规模消费类光子产品的生产中的前所未有的成本效率和体积可伸缩性。

在应用背景中，当有源波导器件（诸如激光、光电探测器等）与无源波导器件和波导电路的元件相组合从而在芯片上形成具有最小光端口的高功能光子系统时，PIC的优点变得尤其引人注目。通过电手段调制光信号的有源器件通常由人工生长的半导体制成，所述半导体具有可调整至其特定应用的功能和波长范围的带隙结构。这些半导体被利用作为PIC的基底材料。因此，基于半导体的PIC是有前途的解决方案，在基于半导体的PIC中在单个单片半导体芯片中实施诸如光信号检测、调制和光信号发射的若干功能。此外，磷化铟（InP）以及其相关III-V半导体材料系统提供附加的益处，因为它们允许制造在1300nm和1550nm附近的重要波长范围中（即在玻璃纤维的两个占优势的低损耗传输窗口中）操作的有源器件。然而，即使是这样的单片集成也能够提供成本障碍，其中设计方法差、制造产量低、制造过程复杂、并且外延生长过程重复昂贵。因此，结合已建立的晶片制造技术的单步外延晶片生长方法已作为进一步实现降低的光部件成本的一种手段而受到关注。

备选地，可以采用砷化镓（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）来用于850nm和1300nm PIC。进一步地，可以通过开发采用铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）和磷（P）的其他第三和三元半导体材料来跨可见和近紫外区采用PIC。由外延生长的半导体异质结构组成的PIC内的任何波导器件的功能是由其波段结构并且更特别地由（一个或多个）波导芯层、（一个或多个）覆层和衬底的带隙波长预先确定的。因此，功能不同的器件通常由不同的、但兼容的半导体材料制成，尽管通过有针对性的设计一些结构可以提供具有反向偏置极性的光放大和光电检测。然而，衬底和波导设计的选择对PIC的设计和制造两者有着深远的影响。

在范围自波分复用器（WDM）、波分解复用器（也被称为WDM）、光功率（信道）监测器、可重构光分插复用器（ROADM）和动态增益（信道）均衡器（DGE/DCE）的若干PIC中，基于每个波长来对至少一个多波长信号进行光谱色散、检测、监测和处理。对于多波长信号阵列，基于每个波长来监测和处理多波长信号阵列，然后将其复用以形成多波长输出信号。这些PIC必须操作在预定信道波长规划（即O波段（原始的；I260nm≤λ≤ I360nm）；E波段（扩展的，I360nm≤λ≤ I460nm）；S波段（短的；I430nm≤λ≤ I530nm）；C波段（常规的；I530nm≤λ≤I565nm）；以及L波段（长的；I565nm≤λ≤1625nm））上，因为不同的波长光信号通常是从多个远程且分立的发射机提供的。信道波长规划是由国际电信联盟在ITU-T G.694.1“SpectralGrids for WDM applications: DWDM Frequency Grid”中定义的。相应地，ITU-T G.694.1根据如下面示出的等式（1）来定义利用12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz的信道间隔的固定栅格：

193.1THz + n*Spacing/1000 （1）