垂直集成电吸收调制激光器和制造方法与流程

垂直集成电吸收调制激光器和制造方法
相关申请的交叉引用
1.本技术要求2019年11月18日提交的标题为“垂直集成电吸收调制激光器和制造方法(vertically integrated electro-absorption modulated lasers and methods of fabrication)”的美国临时专利申请第62/936,629号的优先权，所述美国临时专利申请以全文引用的方式并入本文中。本技术涉及2019年12月10日提交的标题为“带线性化和温度补偿集成控制回路的电吸收调制器(electro-absorption modulator with integrated control loop for linearization and temperature compensation)”的美国专利申请第16/708,887号，所述美国专利申请是2019年1月31日提交的标题为“电吸收调制器线性化和温度补偿的集成控制回路(integrated control loop for linearization and temperature compensation of an electro-absorption modulator)”的美国专利申请第16/263,169号的一部分，其要求2018年2月1日提交的美国临时专利申请第62/625,311号的优先权，标题相同；所述申请以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
2.本发明涉及集成光子学、基于iii-v化合物半导体材料的光子集成电路(pic)领域，尤其涉及集成电吸收调制激光器(eml)，用于高速光数据中心互连和下一代千兆无源光网络(gpon)等应用。


背景技术：

3.对于能够进行高性能调制的高速光发射机和接收机的需求越来越大，适用于大于100gb/s的数据中心互连和下一代(gpon)应用。目前，一些可用的解决方案没有针对》100gb/s的互连进行优化，和/或存在性能和可靠性问题。
4.在光纤领域，电吸收调制器(eam)通常用作连续波激光器输出光的外部调制器。例如，eam可与廉价的慢激光器一起用于高性能应用，即以数据速率传输，不受激光器特性的限制，而是受eam特性的限制。激光器和eam的组合称为电吸收调制激光器(eml)。
5.传统的eml组件可由分立组件制成，即单独制造的dfb激光芯片和eam芯片，其可包含不同的半导体材料。激光器和eam对接在一个共同的衬底上，需要冷却，例如使用热电冷却器(tec)进行背面冷却。例如，可通过直接熔合dfb激光器和eam的小平面，或用密封剂或粘合材料粘合小平面来实现耦合。然而，在这些类型结构的eml组件中，dfb激光器和eam组件之间的界面区域，尤其是当由具有不同晶体成分的半导体材料制成时，是一个高应力和应变区域，例如，由于晶格失配、不同的温度膨胀系数(cte)，以及其它固有的不同特性，作为操作条件的函数。因此，这些eml组件通常具有非常窄的工作温度范围，例如约1c，即使在冷却时也是如此。据报道，对于一些eml组件，可靠运行时间限制在2000小时左右，故障可能发生在3000小时以下。
6.原则上，具有不同波导核心区域和功能的光波导器件的单片集成可以通过以下方式之一实现：
a)直接对接耦合：通过选择性区域蚀刻和再生长的多个外延生长步骤，为每个波导器件提供所需的半导体层，这些半导体层通过pic芯片上的公共水平光学平面横向耦合；b)改进的对接耦合：单外延层堆叠的生长，具有选择性区域的生长后修改形成区域到每个波导器件，这些区域通过as pic芯片上的公共水平光学平面横向耦合；和c)倏逝场耦合：外延层堆叠限定了通过共振或非共振倏逝场耦合进行垂直耦合的垂直堆叠波导器件。
7.举例来说，使用直接或改进对接耦合的单片集成eml的设备结构描述如下：krasulick等人于2006年10月10日获得的美国专利第7,120,183号，标题为“具有高工作温度耐受性的电吸收调制激光器”；makino于2010年10月5日获得的美国专利第7,809,038号，标题为“电吸收调制器与激光集成，以生产具有优化参数的远距离低功率1550nm光学器件”；于2009年1月13日发布的美国专利度7,476,558号，标题为“选择性区域生长叠层电吸收调制激光结构的制造方法”；于2009年1月13日发布的美国专利第7,476,558号，标题为“选择性区域生长叠层电吸收调制激光结构的制造方法”；agresti于2010年11月18日发布的美国专利公开案第us2010/0290489号，标题为“在eml组件的分布反馈dfb的前部具有％波长相移的电吸收调制激光器(eml)组件，以及一种方法；moehrle于2018年5月24日发布的pct国际专利公开案第wo2018/091094a1号，标题为“制造和电吸收调制激光器和电吸收调制激光器的方法”。
8.基于非共振倏逝场垂直耦合的多波导垂直集成(mgvi)结构的制造描述如下：tolstikhin于2013年12月19日公开的pct国际专利公开案第wo2013/185218a1号，标题为“空间波分复用发射器和接收器光子集成电路”。
9.迄今为止，在eam的大多数应用中，调制器和驱动调制器的电子设备是安装在公共衬底上的独立芯片，并通过匹配的阻抗带线电路互连。在通常使用eam的速度下，需要匹配的阻抗驱动电路，除非互连长度远小于波长。常用的封装方法不能满足这一要求，需要匹配的阻抗互连。然而，使用匹配阻抗带状线会导致显著的功率损失，即由于匹配阻抗而导致驱动电压的一半损失。对于典型的eam驱动电压(约为2伏)和50欧姆的阻抗，由于阻抗较低，驱动功率相当高。为了减少功率损耗和提高性能，需要替代解决方案，消除对匹配阻抗带状线的需求。
10.另一个问题是eam是非线性的，与温度和波长有关。因此，它们通常用于光的调制为简单的开关调制的应用中。用于高性能应用(如光数据中心互连)的模拟调制方案使用其它类型的调制器，如马赫-曾德尔(mz)调制器。mz调制器通常更大、成本更高，需要数字信号处理器(dsp)或其它方法来补偿其正弦调制功能。在使用eam进行调制的情况下，已知需要对每个设备进行简单的手动调谐，以选择最线性的操作区域。高性能调制，例如pam4，可能无法通过目前可用的低成本发射器，以及离散的驱动和控制电子设备来实现。
11.在某些应用中，目前可用的直接调制或eml激光器不能为长距离光互连提供足够的光输出功率，这就需要使用更灵敏的雪崩光电二极管探测器，其价格昂贵且长期可靠性较差。需要更高功率的输出激光器，以允许使用由低成本、可靠的pin二极管探测器组成的
接收器。
12.因此，需要改进eam和单片集成eml，以解决上述性能、输出功率、可靠性、线性化和温度补偿等问题中的至少一个。例如，需要对集成eml进行改进，以满足大于100gb/s的数据中心互连和下一代gpon等应用的需求。


技术实现要素：

13.本发明旨在消除或减轻包括eam和eml的已知设备和系统的上述一个或多个缺点，或至少提供一种替代方案。
14.本发明的各个方面提供了基于与单一外延生长工艺兼容的mgvi结构的有源元件垂直集成的单片集成eml，以及用于制造单片集成eml的方法，包括集成驱动和控制电路和不集成驱动和控制电路。
15.一个方面提供了一种单片集成电吸收调制激光器(eml)，包括：基质；外延层结构，包括生长在衬底上的多个半导体层；所述外延层结构限定了多个垂直堆叠的光波导，其中：第一级波导包括结构为输出(无源)波导的层；第二级波导包括结构为eam波导的层；第三级波导包括结构为dfb激光波导的层；所述第三级波导的图案化层用于限定激光台面，所述激光台面包括具有表面蚀刻光栅(seg)的dfb激光腔和从所述激光腔的光学输出延伸的第一横向锥形垂直光耦合器；所述第二级波导的图案化层用于限定eam的台面，以及从所述eam的光输出延伸的第二横向锥形垂直光耦合器；所述第一级波导的图案化层用于提供输出波导；所述dfb激光腔沿光传播方向与所述eam横向隔开，所述第一横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自所述dfb激光器的发射光模式耦合到所述eam的输入端；和第二横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自eam的调制输出垂直耦合到输出波导；和与dfb激光器和eam的电气互连，用于在cw模式下操作dfb激光器并驱动eam。
16.集成eml还可包括一个无源波导，所述无源波导垂直布置在第一级波导下，并图案化以形成光斑大小转换器(ssc)；所述第一级波导包括第三横向锥形垂直光耦合器，所述第三横向锥形垂直光耦合器构造成将来自所述输出波导的光输出耦合到所述ssc以耦合到单模光纤。
17.在一些实施例中，外延层结构包括多个用于电子电路的半导体层，位于多个垂直堆叠的光波导下方，用于电子电路的半导体层通过间隔件与多个垂直堆叠的光波导垂直分离；光学组件包括dfb激光器、eam波导管、输出波导管和形成在衬底的第一区域(岛)上的横向锥形垂直光学耦合器；电子电路形成在衬底的第二区域(岛)上，与第一区域相邻，其中包括间隔件和所有覆盖层的外延层堆叠的半导体层已被移除；和互连金属化在dfb激光器和eam的电子电路和电气连接之间提供电气互连，用于操
作dfb激光器和驱动eam。
18.电子电路可包括用于线性化和温度补偿的eam驱动和控制电路，包括以下中的一项：用于监测eam光学输出的光电电流传感器和用于监测eam工作温度的电温度传感器；和用于监测eam光学输出的光学抽头和光电探测器，以及用于监测eam工作温度的电温度传感器。
19.例如，电子电路包括eam驱动和控制电路，eam具有用于施加偏置电压以操作eam的第一和第二电气端子，以及用于接收输入模拟调制信号的电气控制端子，所述输入模拟调制信号通过控制电路馈送至eam驱动器电路的驱动晶体管；和其中，所述控制电路包括：第一感测装置，用于检测所述eam的温度并根据所述eam的温度生成第一反馈信号；以及第一控制回路元件，用于组合所述第一反馈信号和所述输入模拟调制信号以提供经温度补偿的调制信号；第二感测装置，用于检测eam的输出电平并生成依赖于eam的输出电平的第二反馈信号，以及用于组合第二反馈信号和温度补偿调制信号以提供线性化调制信号的第二控制回路元件。
20.在一个实施例中，用于检测电吸收调制器温度的第一感测装置包括一个放置在eam附近的电温度传感器，用于组合的第一控制回路元件包括一个耦合器，用于向输入模拟调制信号添加第一反馈信号，以提供温度补偿调制信号。例如，第一反馈信号包括依赖于温度的偏移偏置。
21.例如，第二感测装置包括用于检测电吸收调制器的光电流并生成第二反馈信号的电气部件；或者，第二感测装置包括电光组件，其包括用于对电吸收调制器的光输出进行采样的光学抽头、用于产生第二反馈信号的光电探测器和跨阻放大器。
22.在一个实施例中，用于组合第二反馈信号和温度补偿调制信号的第二控制回路元件包括差分放大器，并且温度补偿调制信号被输入到差分放大器的非反相输入，第二反馈信号被输入到差分放大器的反相输入，从两个信号之间的差异产生误差电压，并将其馈送至驱动器。
23.有利的是，eam驱动和控制电路与eam之间的导电互连轨道的长度在微米到几十微米的范围内，从而减少定时延迟和相位延迟，例如，为了实现高级调制方案。
24.在示例实施例中，dfb激光器是vc seg dfb激光器。
25.在一些实施例的eml中，外延层结构与使用iii-v半导体材料制造的单个外延生长工艺兼容。在一些实施例中，使用基于inp的材料系统制造集成eml，所述材料系统包括in、ga、as、p和al的选定二元、三元和四元组合物。
26.另一方面提供了一种制造单片集成电吸收调制激光器(eml)的方法，其中dfb激光器通过横向锥形垂直光耦合器与eam垂直集成，包括：提供衬底；在衬底上生长外延层结构，所述外延层结构包括多个垂直堆叠的光波导，其中：第一级波导包括结构为输出(无源)波导的层；第二级波导包括结构为eam波导的层；
第三级波导包括结构为dfb激光波导的层；所述第三级波导的图案化层用于限定激光台面，所述激光台面包括具有表面蚀刻光栅(seg)的dfb激光腔和从所述激光腔的光学输出延伸的第一横向锥形垂直光耦合器；所述第二级波导的图案化层用于限定eam的台面，以及从所述eam的光输出延伸的第二横向锥形垂直光耦合器；所述第一级波导的图案化层用于限定输出波导；所述dfb激光腔沿光传播方向与所述eam横向隔开，所述第一横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自所述dfb激光器的发射光模式耦合到所述eam的输入端；和第二横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自eam的调制输出垂直耦合到输出波导；和为dfb激光器和eam提供电气连接，以便在cw模式下操作dfb激光器并驱动eam。
27.在另一方面，提供了一种制造单片集成电吸收调制激光器(eml)的方法，其中dfb激光器与eam和集成电子电路垂直集成，包括：提供衬底；在衬底的第一和第二区域上生长覆盖外延层结构，第一个区域指定用于eml的光学组件，第二个区域指定用于电子电路；包层外延层结构包括：用于制造电子电路的第一多个半导体层；至少一个间隔件，包括选择性蚀刻止动件；和多个垂直堆叠的光波导，其中：第一级波导包括结构为输出(无源)波导的层；第二级波导包括结构为eam波导的层；第三级波导包括结构为dfb激光波导的层；保护第一区域并从第二区域选择性地移除多个垂直堆叠的光波导和至少一个间隔件；处理所述第一多个半导体层以限定所述电子电路；保护包括电子电路的第二区域；处理多个垂直堆叠的光波导，包括：所述第三级波导的图案化层用于限定激光台面，所述激光台面包括具有表面蚀刻光栅(seg)的dfb激光腔和从所述激光腔的光学输出延伸的第一横向锥形垂直光耦合器；所述第二级波导的图案化层用于限定eam的台面，以及从所述eam的光输出延伸的第二横向锥形垂直光耦合器；所述第一级波导的图案化层用于限定输出波导；所述dfb激光腔沿光传播方向与所述eam横向隔开，所述第一横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自所述dfb激光器的发射光模式耦合到所述eam的输入端；和第二横向锥形垂直光耦合器被构造成将来自eam的调制输出垂直耦合到输出波导；和在电子电路、dfb激光器和eam之间提供电气连接，以便在cw模式下操作dfb激光器
并驱动eam。
28.当eml进一步包括用于将eml的光输出耦合到单模光纤的垂直集成光斑大小转换器(ssc)时，所述方法进一步包括：在生长用于制造电子电路的第一多个半导体层和包括选择性蚀刻止动件的至少一个间隔件之后，在生长覆盖层外延层结构的覆盖层之前，通过所述第一多个半导体层和包括选择性蚀刻止动件的至少一个间隔件蚀刻深沟槽，并将其蚀刻到底层衬底中；在ssc的深槽外延层内生长；其中，用于限定输出波导的第一级波导的图案化还包括限定第三横向耦合垂直耦合器，以将来自输出波导的光输出耦合到ssc。
29.通过以下结合附图对本发明实施例的详细描述，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，所述描述仅作为示例。
附图说明
30.图1(现有技术)显示了对接耦合eml组件示例的示意框图；
31.图2(现有技术)显示了图1的eml的典型传递函数；
32.图3(现有技术)显示了集成eml的纵截面示意图，所述集成eml包括dfb激光器和eam，使用dfb激光器和eam的不同外延层结构在同一衬底上制造；
33.图4(现有技术)显示了通过选择性区域生长制造的叠层结构的集成eml的纵截面示意图；
34.图5(现有技术)显示了集成eml的纵截面示意图，所述集成eml包括dfb激光器和eam，其在同一衬底上制造，具有dfb激光器和eam的共享外延层结构；
35.图6显示了使用mgvi制造的第一实施例的单片集成eml的纵截面示意图；
36.图7示出了第一实施例的单片集成eml的示意平面图；
37.图8(现有技术)显示了垂直耦合seg dfb激光器形式的dfb激光器示例的等距图，所述dfb激光器与使用mgvi制造单片集成eml兼容；
38.图9显示了第二实施例的集成eml的纵截面示意图，所述eml使用mgvi制造，包括集成电子电路；
39.图10示出了第二实施例的集成eml的示意平面图；
40.图11a和11b示出了代表图9和10的器件结构的制造方法中的一些步骤的示意性横截面图；
41.图12a显示了第三实施例的集成eml的示意平面图，所述集成eml包括集成驱动和控制电路；
42.图12b示出了第四实施例的集成eml的示意平面图，所述集成eml包括集成驱动和控制电路；
43.图13示出了第五实施例的集成eml的纵截面示意图，所述eml使用mgvi制造，包括光斑尺寸转换器(ssc)和集成驱动电子设备；
44.图14示出了表示制造图13的器件结构中的一些步骤的示意性横截面图；
45.图15显示了具有用于线性化和温度补偿的单片集成控制电路的电吸收调制器的第一示例的电路示意图；和
46.图16显示了具有用于线性化和温度补偿的单片集成控制电路的电吸收调制器的第二示例的电路示意图；
47.图17显示了第六实施例的集成eml的示意性平面图，包括单片集成的驱动器和控制电子设备；和
48.图18显示了第七实施例的集成eml的示意性平面图，包括单片集成的驱动器和控制电子设备。
具体实施方式
49.图1(现有技术)显示了对接耦合eml组件示例的示意框图。eml组件包括一个连接到eam的连续激光二极管，安装在公共衬底上，所述衬底使用热电冷却器(tec)进行背面冷却。图2(现有技术)示出了如图1所示的eml的典型归一化传递函数，即作为施加电压的函数的eam的归一化传输。在本例中，eam在零偏压的指定波长下具有100％的传输，在-2v的反向偏压下具有0％的传输。
50.图3至5(现有技术)显示了三个单片集成eml示例的纵截面示意图(即通过光传播轴)。图3中示意性显示的eml包括dfb激光器和eam，它们使用两种不同的外延层结构在同一衬底上制造，用于dfb激光器和eam的波导结构，通过隔离区进行光学耦合(例如，参见wo2018/091094a1)。图4中示意性显示的eml具有叠层结构，所述叠层结构通过在阶梯状衬底(例如，参见us7,476,558)上选择性地区域生长多个外延层1至12来制造，其中，从形成eam部分15的部分选择性地移除形成激光二极管(ld)部分17的波导的外延层5至8，其包括在由层2和3的较厚部分形成的台阶上的外延层4，使得eam和ld的光轴水平共面，并且eam和ld通过隔离区16的上部横向对接耦合。图5(现有技术)中示意性显示的eml包括dfb激光器和eam，其在具有共享外延层结构的同一衬底上制造(例如，参见us2010/0290489a1)。
51.图1至5中所示的每个eml结构是直接或间接对接耦合激光器和eam的示例。对接耦合eml往往会出现早期故障和可靠性问题，例如，由于激光器和eam之间的界面区域中的应力/应变，尤其是在高功率运行时。
52.现在将以示例的方式描述本发明的一些示例性实施例的单片集成eml。每个集成eml包括dfb激光器和eam，它们是垂直集成的，使用mgvi制造，其中dfb激光器和eam通过横向锥形垂直耦合器垂直耦合。
53.图6显示了第一实施例的单片集成eml 100的纵截面示意图，所述eml 100包括dfb激光器和eam，使用mgvi制造。这种制造方法提供了在多个垂直堆叠波导中形成的有源和无源元件的垂直集成，并且与单外延生长兼容，例如使用基于inp的材料系统。在所述示例中，所述结构包括半绝缘(si)衬底，例如掺杂fe的inp，在其上生长外延层堆叠(可称为外延层堆叠或外延层堆叠或外延层)以限定以下层：第一级波导，标记为输出波导；第二级波导，标记为eam波导；以及标记为dfb激光波导的第三级波导，其上限定有表面蚀刻光栅seg。如图7所示的第一实施例的单片集成eml 100的示意性平面图所示，波导通过由各波导的横向锥形部分形成的垂直耦合器进行垂直光学耦合。对第三级波导进行处理以限定激光台面和第一横向锥形垂直耦合器1。seg蚀刻在台面的dfb激光器部分的顶面上，以形成dfb激光器，锥形垂直耦合器从激光器的光学输出延伸到第二级波导的长度上，用于从激光器到第二级波导的发射模式的垂直光学耦合。提供了用于驱动dfb激光器的电接触区域，例如，沿台面边
缘的台面顶部以及台面的每一侧，如图7所示。
54.作为示例，图8(现有技术)显示了垂直耦合(vc)seg dfb激光器200实施例的等距图，所述激光器与使用mgvi制造单片集成eml兼容。图8所示的vc seg dfb激光器的结构和制造在us2012/0106583a1和相关应用中进行了描述。也就是说，形成dfb激光器的波导的外延层结构包括，例如：衬底层210、上下发射极层231和232、上下分离限制异质结构233a和233b，以及多量子阱有源增益区234，其中至少有一层激光台面，例如孔径层235，被构造成提供基本光学模式的横向光学限制和电流注入的横向限制。seg 270包括蚀刻在激光台面顶面上的沟槽265。电触点275a和275b被提供给下发射极层和上发射极层。dfb激光器的输出面，即在平面250内，是蚀刻面。
55.回头参考图6，第二级波导的外延层被构造成形成eam波导，即包括上下包层和多量子阱半导体结构，所述结构具有电可控吸收的成分，以提供适当的传递函数，例如，激光波长的光在零偏压下的高透射率(基本透明)，以及在几伏反向偏压下的最小透射率。eam的电接触区域沿着波导的eam部分的长度提供，即eam台面的顶部和eam台面的每一侧，如图7中的示意图所示。第二级波导从eam沿光传播方向延伸，并图案化以形成横向锥形的第二垂直光耦合器2，用于将由eam传输的调制光光光耦合到作为光输出波导的底层第一级波导。第二和第三级波导的垂直光耦合器1和2的横向锥形如图7所示。激光器的cw输出光路通过第一垂直耦合器垂直耦合，通过eam产生调制输出，所述调制输出通过第二垂直耦合器垂直耦合到第一级(输出)波导，如图6所示的纵截面示意图中的大箭头所示。如果需要，第三级波导还可以结构为提供用于背面功率监测的检测器(未显示)。
56.外延层结构可被选择为与单个外延生长工艺兼容。也可以使用多个外延生长步骤。
57.使用横向锥形垂直光耦合器为垂直光耦合选择材料和构造波导层的一般原则，即适当选择带隙波长和折射率，如us7,444,055b2至tolstikhin，标题为“多导垂直堆叠中波长(解)复用的集成光学装置”，以及其中引用的参考文献。
58.使用mgvi制造的第二实施例的集成eml 300的纵截面示意图如图9所示。在本实施例中，eml与eam驱动电路和激光驱动电路集成在一起。后者包括用于激光器作为cw光源运行的偏置控制，并且可选地包括其它元件，例如用于温度传感、功率监测、用于温度稳定和功率调节的控制回路。构成dfb激光器和eam调制器的三个垂直堆叠波导、输出波导和横向锥形垂直耦合器的层与图6所示的层类似。图9中示意性地示出的结构与图6中所示的不同之处在于，在si衬底和波导层之间提供了附加层。也就是说，附加层包括用于形成激光驱动器和eam驱动器电路的高速电子电路的层。附加层包括用于制造异质结双极晶体管(hbt)的基于inp的半导体层，其被标记为用于电子电路的hbt外延层，以及间隔件，其包括一个或多个层，并包括一个或多个蚀刻止动件，其允许对光学元件和电子电路进行单独处理。
59.如图10所示，所述图是本实施例的eml 300的示意平面图，第二实施例的dfb激光器、eam和输出波导的多级光波导结构形成在衬底的第一区域(岛1)上，电子电路形成在衬底的相邻第二区域(岛2)上，例如，与光学元件横向隔开。
60.图11a和11b示意性地示出了用于制造具有集成驱动电路的eml装置结构的一些处理步骤300-1至300-6的示例，如图9和10所示。第一外延层堆叠，包括用于制造inp异质结双极晶体管的半导体层，被称为“hbt epi堆叠”。用于高速电子设备的hbt epi堆叠生长在硅
衬底上(步骤300-1)。如果高速电子设备生长在光学元件的顶部，形成激光和eam波导的层的导电性将降低晶体管的运行速度。因此，用于光波导的第二epi层堆叠(“光学epi堆叠”)生长在用于电子设备的层之上，并且包括间隔件或缝合层(步骤300-2)，所述缝合层包括蚀刻止动件，所述蚀刻止动件将epi堆叠和用于光波导的覆盖epi堆叠分开(步骤300-3)。注意，如果需要，可以选择外延层与用于形成所有hbt外延层堆叠、缝合层和光学外延层堆叠的单个外延生长过程兼容。也可以选择性地使用多个外延生长步骤。
61.例如，为了制造图9和10中示意性所示的集成eml结构，光学epi层堆叠被构造成形成第一、第二和第三级波导(图11a中的步骤300-3)。hbt和光学外延层叠层以及缝合层均被覆盖沉积在整个衬底上。然后，光学组件的设备区域(岛)受到保护，例如通过掩模层，光学epi堆叠的暴露部分被蚀刻回hbt epi堆叠(步骤300-4)。选择光学组件和电子组件的岛的尺寸，以便在后续处理期间，每个岛有足够的平面区域，以允许适当的对准和步进光刻，包括在暴露的表面层上放置对准标记。选择hbt epi堆叠和光学epi堆叠之间的缝合层的材料，以便在光学epi堆叠和hbt epi堆叠之间至少有一个高选择性蚀刻止动件，用于后续处理步骤，例如用于电路组件和光学组件的独立处理。
62.电子电路的hbt和其它组件在光学epi堆叠受到保护的同时进行处理，直至需要互连金属化。可为电子电路提供第一级互连金属化。用于电子电路和光电元件电气连接的第二级互连金属化在光学元件加工之后在加工顺序的后面提供。
63.参考图11b，hbt epi堆叠的设备结构随后受到保护，例如通过掩模(参见步骤300-5)进行保护，并且从光学epi堆叠中移除掩模(参见步骤300-4)。然后，由dfb激光器、eam和垂直光耦合器的横向锥度组成的光学组件从上到下进行处理，以限定每个波导的结构。这些工艺步骤可包括，例如，a)对激光波导进行图案化和蚀刻，以限定激光台面和横向锥形第一垂直光耦合器1的侧壁，以及对激光器的seg进行蚀刻；b)对eam波导进行图案化和蚀刻，以限定eam和横向锥形第二垂直光耦合器2的侧壁；c)输出波导管的图案化和蚀刻。
64.完成这些光波导结构后，从hbt epi堆叠的电子设备结构上移除掩模后，对光学设备的电路和电气连接进行后端金属化和互连，包括平面化和后处理。
65.如上所述，如果需要，在一些实施例中，可以选择外延层与用于形成hbt外延层堆叠、缝合层和光学外延层堆叠的单个外延生长工艺兼容。或者，在其它实施例中，可以使用多个外延生长步骤。
66.应了解，上文所提到的图6到10、11a和11b中所示的示意图是设备结构层的高度简化表示，层厚度和横向尺寸没有按比例绘制。虽然每张图纸中只显示了一个eml器件结构的元件，但实际上，制造是在晶圆规模上进行的，每个晶圆上有许多eml器件。如将理解的，每个波导包括许多外延层，例如，包括波导的mqw有源区、sch层和包层的芯；衬底和hbt外延层堆叠以及光学外延层堆叠可包括附加层，例如缓冲层、中间层、间隔件，视情况而定。半导体材料包括iii-v半导体材料，适用于制造用于高速电子电路的hbt外延层堆叠和用于有源和无源光学元件的波导的光学外延层堆叠。例如，半导体材料可包括基于inp材料系统的iii-v半导体，例如，包括in、ga、as、p和al的选定二元、三元和四元组合物。
67.参考图10所示的平面示意图，在第二实施例的eml 300中，dfb激光控制电路和eam驱动和控制电路示意性地显示为位于eml的侧面。在图11b中步骤300-6所示的横截面图中，驱动电子设备示意性地显示为位于与eml波导结构纵向间隔的区域上，例如在dfb激光器的
背面后面。如上所述，可包括用于激光器的背面功率监视器，即pin二极管检测器(图中未示出)。在实践中，集成电子电路可酌情放置在eml周围的衬底上，例如，以优化互连、分配电子设备产生的热量，以及优化设备区域的使用。有利的是，集成eam驱动器电路位于eam附近，以最小化互连长度，例如实现更高的性能调制。例如，图12a显示了第三实施例的集成eml 400-1的设备区域的示意平面图，包括单片集成的驱动和控制电路。在本实施例的布局中，eam驱动器和控制电子设备位于eam附近，以优化互连，例如提供更短的互连长度，用于高性能调制，激光驱动电子设备位于dfb激光器背面的后面。应当理解，例如，在图12b中示意性地示出的替代实施例的集成eml 400-2中，eml与eam驱动器和控制电子设备整体集成，而其它电子设备，例如激光驱动器、监控和控制电路，则提供在单独的芯片上。在其它实施例中，基于图6和7所示的单片集成eml结构，在没有集成电子设备的情况下，激光器和eam驱动和控制电子设备作为单独的芯片提供。
68.使用mgvi制造的第五实施例的集成eml 500的纵截面示意图如图13所示。eml 500不同于图9和10中示意性地示出的eml 300，它还包括一个光斑大小转换器(ssc)，用于将光输出直接耦合到单模光纤。也就是说，第一级波导是一个耦合波导，它由一个横向锥形的第三垂直光耦合器垂直光耦合到ssc的波导层。ssc在垂直堆叠的底部形成稀释耦合波导，用于低损耗、高对准公差的单模光纤耦合。ssc形成于蚀刻在间隔件、hbt epi堆叠和衬底层中的深沟槽中。
69.在制造图13所示实施例的eml 500时，由于ssc所需的地形，如图14所示，对工艺流程进行了调整。例如，ssc具有高度和宽度，例如约7μm，用于对准和光耦合到标准单模光纤，而hbt epi堆叠和间隔件的厚度可能为，例如约2μm。为了成功实现ssc的集成，如图14中示意性所示的工艺步骤500-1至500-3所示，hbt外延层与用于间隔件的层一起生长在si衬底上。背面对准标记被蚀刻到衬底晶圆中，以允许后续处理的对准。接下来，通过hbt外延层将深沟槽蚀刻到衬底晶圆中，并蚀刻到衬底(500-1)中。这些深沟确定了每个岛屿的ssc位置。然后在沟槽中生长ssc外延层堆叠，例如使用剥离工艺。ssc外延层堆叠的顶层被选择为具有对hbt外延层堆叠的周围层选择性蚀刻的材料。ssc epi堆叠以沟槽为中心略微生长，然后使用选择性干蚀刻化学将ssc材料平坦化到hbt epi堆叠表面。此时可能需要快速湿法蚀刻，以去除表面的任何粗糙度。接下来，将用于耦合波导、eam和dfb激光器的波导的光学epi叠层生长在晶圆(500-2)上。使用背面对准标记对准其沟槽中的ssc波导，保护光学epi堆叠，并且所述过程继续制造电子电路和光学元件(500-3)，例如，如上文参考图11a和11b所述。如图14的500-3所示，本实施例的eml电子电路占据eml波导堆叠旁边的区域。
70.图15显示了具有用于线性化和温度补偿的单片集成控制电路的电吸收调制器的第一示例的电路示意图，图16显示了具有用于线性化和温度补偿的单片集成控制电路的电吸收调制器的第二示例的电路示意图，如相关美国申请us 16/263,169和us16/708,887中所披露。
71.参考图15，电光集成电路100-1的元件在衬底的设备区域102上整体制造，并包括电吸收调制器120和集成驱动和控制电路元件。电吸收调制器120具有用于接收连续波(cw)光输入的光输入122和用于输出调制光输出的光输出124。例如，cw光输入可由离散或集成的激光二极管(未示出)提供，其经由光波导和/或光斑大小转换器(ssc)耦合到电吸收调制器。光输出124还可以包括用于耦合到其它光学组件的ssc。电光调制器的电气端子126和
128用于施加反向直流偏压以操作电光调制器120。输入调制信号，即模拟电信号，提供在控制输入132处，并通过控制电路的元件馈送到电吸收调制器120的驱动电路的控制端子驱动晶体管138，用于调制光输出信号。集成驱动和控制电路形成快速反馈控制回路，包括具有第一控制回路元件的第一感测装置，用于温度补偿，以及具有第二控制回路元件的第二感测装置，用于电吸收调制器的线性化。
72.第一检测装置用于检测电吸收调制器的温度，并根据电吸收调制器的温度生成第一反馈信号，第一控制回路元件用于组合第一反馈信号和输入模拟调制信号，以提供温度补偿调制信号。第一感测装置包括电传感器140，用于检测电吸收调制器的温度并产生与温度相关的偏置电压。依赖于温度的偏置电压被馈送到控制电路元件136，在那里它与输入调制信号组合以产生温度补偿调制信号。温度传感器根据调制器的温度产生直流偏置，用于调整模拟输入信号以补偿温度变化。
73.优选地，放置在电吸收调制器和用于组合的第一控制回路元件附近的电温度传感器包括耦合器136，用于将第一反馈信号(例如温度相关偏置电压)添加到输入模拟调制信号，以提供温度补偿调制信号。
74.第二检测装置包括用于检测电吸收调制器输出电平的电路150，例如，用于检测电吸收调制器吸收的光电流并生成第二反馈信号的光电电流检测元件，具体取决于电吸收调制器的输出电平。第二控制回路元件包括用于组合第二反馈信号和温度补偿调制信号以提供线性化调制信号的差分放大器134。即，温度补偿调制信号被输入到差分放大器的非反相输入，第二反馈信号被输入到差分放大器的反相输入，以从两个信号之间的差产生误差电压。因此，快速反馈控制电路测量输出光信号，并将其与驱动块的电输入信号进行比较。误差电压由两个信号之间的差异产生，并馈送至驱动器。
75.参考图16，电路100-2的许多元件与第一示例的电路100-2的元件类似，并用相同的参考号标记。温度传感器140提供温度补偿，如图15所示的电路100所述。图16所示的快速反馈电路与图15所示的不同之处在于，它包括用于测量输出光信号电平的电光电路。即，快速反馈电路包括光学抽头152、输出感测光电二极管154和输出感测跨阻放大器(tia)156，以测量输出光信号并将第二反馈信号提供给差分放大器134。也就是说，如在电吸收调制器100-1中，温度补偿调制信号被输入到差分放大器的非反相输入，第二反馈信号被输入到差分放大器的反相输入，以从馈送到驱动器的两个信号之间的差产生误差电压。
76.上述集成eam驱动器的两个实施例在输出光反馈测量的方式上有所不同，即它们包括用于检测eam输出电平的不同形式的输出监视器(第二感测装置)。图15示出了第一实施例使用吸收的光电流来测量输出电平。图16示出了第二实施例截取少量输出光信号，并使用高速光检测器和tia对其进行检测。在每种情况下，反馈电路测量输出光信号，并将其与驱动块的电输入信号进行比较。误差电压由两个信号之间的差异产生，并馈送至驱动器。在这两种实施方式中，第一感测装置包括温度传感器，所述温度传感器位于调制器附近。以这种方式产生直流偏置，所述偏置根据调制器的温度设置。
77.对于小型、低成本和相对短距离的应用，例如400g数据中心互连，当驱动电子设备和eam集成到足够小的设备区域中时，可以消除匹配阻抗的带状线驱动电路和相关的功率损耗。光学调制器和相关驱动和控制电子设备的单片集成使组件更接近，并显著减少了导电互连轨道的长度，例如从毫米到微米。电信号必须传输的距离大约减少了1000:1，大大减
少了块之间的相位和时间延迟，从而能够实现电子或电光形式的快速反馈电路，即使是在非常高的速度下。反馈方法可以线性化调制器的整体传递函数，密切监测调制器的温度，并施加适当的温度相关偏置电压，以保持调制器的工作范围正确居中。
78.单片集成将互连规模缩小到微米，结合非常高速的晶体管，可以实现一个驱动电路，所述电路使用反馈在有限的输入电信号和输入光信号范围内线性化调制器的电光传递函数。当在所述范围内操作时，可以线性调制输入连续波(cw)光信号，从而允许将诸如qpsk(正交相移键控)、pam-4(4电平脉冲幅度调制)或甚至qam(正交幅度调制)等高级调制方案应用于光信号。对于有限范围的应用，例如数据中心互连，由于色散导致的路径损耗和损伤是有限的，可以在有限的动态范围内有效地实现光信号的复杂模拟调制，同时在整个链路上提供良好的误码率性能。通过使用ea调制器及其相关集成模拟电子设备等更简单的构造块，以取代更复杂的马赫-曾德尔调制器组件、带状线封装和dsp，从而实现发射机，这使得链路的复杂性、成本和功率显著降低。
79.图17显示了第六实施例的集成eml 600的示意性平面图，所述集成eml 600包括集成驱动电路，例如，包括集成eam驱动和控制电路，如图15所示。图17的许多元件类似于图10中示意性地示出的元件。图17中的示意性平面图示意性地示出了如何将图15的集成eam驱动和控制电路的光电流感测和温度感测合并到设备布局中。
80.图18显示了第七实施例的集成eml 700的平面示意图，所述eml 700具有集成驱动电路，例如集成eam驱动和控制电路，如图16所示。在所述实施例中，靠近光输出波导的外延层堆叠的波导层被图案化以提供光学抽头：即，第二级波导层被图案化，如图18所示，以限定光学检测器，即使用eam波导堆叠的有源层，并且在第一级波导的下方图案化，以形成横向光耦合器，其被配置为抽头调制光输出的小百分比，例如1％，其由另一横向锥形垂直光耦合器耦合到光检测器。
81.通过示例描述了许多示例性实施例的单片集成eml。在每个示例性实施例中，基于mgvi制造的dfb激光器和eam通过横向锥形垂直光耦合器的垂直集成提供了在器件结构中集成这些组件，与dfb激光器和eam的常规对接耦合相比，所述器件结构可提供更高的可靠性。如背景部分所述，dfb激光器和eam之间的直接或间接对接耦合接口会导致高应力和应变的接口，这可能会导致可靠性问题或过早失效，尤其是在高功率运行下。示例性实施例的eml的横向锥形垂直光耦合器的结构在输出dfb激光器和eam的输入之间提供有效的垂直光耦合。dfb激光器和eam垂直集成波导的外延层结构可以设计为减少光学元件之间的应力/应变，垂直集成eml避免了传统对接耦合dfb激光器和eam之间的高应力/应变界面区域。
82.如示例性实施例所示，垂直集成的eml可以用集成的驱动器和控制电子设备制造，也可以不用集成的驱动器和控制电子设备制造。有利的是，至少eam驱动器和控制电子设备也垂直集成到设备结构中，例如，优化从驱动器到eam的互连，例如减少互连长度/电感/电阻等，以实现eam的可靠、更高性能调制，例如pam4。dfb激光器在cw模式下工作，因此激光驱动器和控制电子设备的近距离可能不那么重要，但集成电子电路可选地包括激光驱动器。视情况而定，其它电气和光学组件，例如温度传感器、用于功率监测的光学探测器等，可单独集成。
83.可以选择光电子元件和电子电路的器件拓扑，即器件区域上的物理布局，以优化互连、改善散热、有效利用器件区域等。因此，在可行的情况下，可以组合示例性实施例的
eml的各种元件以提供附加或替代实施例。例如，第一实施例的垂直集成eml没有集成的驱动和控制电路，并参考图6和7进行描述，可安装在带有离散驱动和控制电路的衬底上。例如，另一实施例的垂直集成eml可包括集成eam驱动和控制电路，例如，如参考图9和10所述实施例的eml所述，与其它光学元件和/或电子电路集成。
84.可使用基于iii-iv的半导体材料系统实现示例性实施例的垂直集成eml及其变体和修改。具体而言，可以使用基于inp的半导体材料系统，例如，包含in、ga、as、p和al的选定二元、三元和四元组合物。基于inp的材料系统可以用于制造无源光学元件，例如无源波导、光电器件结构，例如用于dfb激光器和eam的波导，也可用于包含inp晶体管的高速电子电路，例如inp hbt。
85.总之，本发明公开了单片集成eml和制造方法，其包括用于dfb激光器、eam和无源输出波导的垂直堆叠波导。dfb激光器、eam和输出波导采用横向锥形垂直光耦合器进行光学耦合。无源输出波导还可用于提供光学抽头，例如用于输出功率监测。如果需要，dfb激光器的第三级波导也可以构造为提供用于背面功率监测的二极管检测器。
86.使用横向锥形垂直光耦合器的垂直集成为激光器和eam的传统对接耦合提供了替代方案，有可能在延长寿命的情况下提高高功率运行的可靠性。更高功率激光器的可用性使得接收机能够由成本更低、可靠性更高的pin二极管探测器代替灵敏度更高的雪崩光电二极管。
87.可选地，垂直集成的eml包括单片集成的电子电路，例如dfb激光器和eam的驱动和控制电子设备。有利的是，集成eam驱动和控制电路包括一个高速电光控制回路，用于非常高速的线性化和温度补偿，例如，为模拟光数据中心互连应用启用先进的调制方案，如pam-4和dp-qpsk。
88.一些实施例的eml与使用单一外延生长的制造兼容。
89.尽管本发明的实施例已被详细描述和说明，但应清楚地理解，本发明的实施例仅限于说明和示例，而非限制，本发明的范围仅限于所附权利要求书。