CN107331739A - 一种红外光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外光模块，包括：红外发光源、接收器、集成芯片和光接口；其中，集成芯片分别与红外发光源和接收器相连接；红外发光源和接收器分别与光接口相连接。本发明提供的红外光模块，采用高发光率的红外发光源，进而降低了光模块的功耗；同时红外发光源的生产成本低于现有激光光源，即降低了光模块的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种红外光模块。
背景技术
目前在国家宽带中国战略政策下，国内三大电信运营商加快光网城市建设的步伐，我国光通信产业呈现出高速增长态势；随着市场的持续升温，光器件产业投资不断扩大，国内涌现出一大批光器件企业。国家对光通信产业加大扶持，企业投入研发比重上升，这无疑是有利于产业长期发展的。在三网融合的大前提下，光器件投资成本占比不断上升。
随着越发成熟的光网络建设，各大设备商、原料商、器件商逐鹿光通信产业，从而加剧了光通信产业链的商业化技术性竞争。其中，光模块作为光纤通信系统的核心部件，在当前世界范围内对其的海量需求，但随着光模块需求的增加，现有光模块的制造成本高和光模块的功耗高等问题也越来越突出。
然而，目前由于光模块中发光源的限制，降低光模块的成本和减小功耗变的尤为艰难。因此如何选择发光源和提高发光源的发光效率进而降低功耗就变得极其重要。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种红外光模块，包括：红外发光源、接收器、集成芯片和光接口；其中，
所述集成芯片分别与所述红外发光源和所述接收器相连接；所述红外发光源和所述接收器分别与所述光接口相连接。
在本发明的一个实施例中，所述集成芯片包括驱动器、放大器和处理器，所述驱动器、所述放大器均电连接至所述处理器。
在本发明的一个实施例中，所述驱动器电连接至所述集成芯片，用于驱动发光源发光并控制发光源的电压来改变发光强弱，以实现将数据信号转变成光信号。
在本发明的一个实施例中，所述接收器电连接至所述放大器，用于将接收到的光信号转换成电信号，通过其输出端传输至所述放大器。
在本发明的一个实施例中，所述红外发光源的负端连接所述集成芯片，所述红外发光源的正端连接直流电源。
在本发明的一个实施例中，在所述红外发光源中设置有红外发光二极管。
在本发明的一个实施例中，所述红外发光二极管包括：SOI衬底、Ge外延层、脊形横向的PiN结构和金属电极；其中，
所述Ge外延层设置于所述SOI衬底的表面的中心位置处；
所述PiN结构设置于所述SOI衬底和所述Ge外延层的表面；
所述金属电极设置于所述脊形横向的PiN结构两侧的位置处，且电连接至所述红外光源的管脚处。
在本发明的一个实施例中，所述PiN结构包括：GeSn层、N型Ge区域和P型Ge区域。
在本发明的一个实施例中，所述金属电极包括正电极和负电极；其中，
所述正电极设置于P型Ge区域的上表面；
所述负电极设置于N型Ge区域的上表面。
在本发明的一个实施例中，所述红外发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的红外光模块，采用高发光率的红外发光源，进而降低了光模块的功耗；同时红外发光源的生产成本低于现有激光光源，即降低了光模块的生产成本。
2.本发明的红外光模块，采用横向波导型结构PiN，从结构上提高红外发光二极管的发光效率。
3.本发明的红外发光二极管，具有Ge外延层位错密度低的优点，从而进一步提高红外发光二极管的发光效率。
附图说明
为了清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种红外光模块的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种集成芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种红外发光二极管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图；
图5a-图5l为本发明实施例的一种红外发光二极管的制备工艺示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种红外光模块的结构示意图，所述光模块1包括：红外发光源11、接收器12、集成芯片13和光接口14；其中，
所述集成芯片分别与所述红外发光源和所述接收器相连接；所述红外发光源和所述接收器分别与所述光接口相连接。
进一步地，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种集成芯片的结构示意图，所述集成芯片13包括处理器131、驱动器132和放大器133，所述驱动器132、所述放大器133均电连接至所述处理器131。
优选地，所述驱动器132电连接至所述红外发光源11，用于驱动所述红外发光源11发光并控制所述红外发光源11的电压来改变发光强弱，以实现将数据信号转变成光信号。
进一步地，集成芯片13通过信号输入端连接数据接收端DATA，接收用户发出的发送或者接收控制指令以及数据信号。集成芯片13的偏置电流输出端和调制电流端子分别连接发光源的负端，发光源的正端连接直流电源。当用户需要发送数据时，集成芯片13中的驱动器132产生偏置电流作用于红外发光源11，驱动红外发光源11发光。与此同时，用户发出的数据信号输入到驱动器132，进而生成调制电流调制到偏置电流上，通过控制红外发光源11的导通程度来改变其发光强弱，进而将数据信号转变成光信号。
优选地，所述接收器12电连接至所述放大器133，用于将接收到的光信号转换成电信号，通过其输出端传输至所述放大器。
进一步地，在光信号的接收方面，接收器通12过其内部的光敏二极管接收通过光纤输入的光信号，并将光信号转换成电信号后，通过其输出端输出。通过接收器12输出的信号隔离掉其中的直流成分后，输入到合成芯片中的放大器133中，以对接收到的信号的幅值进行放大处理，然后输出至后续电路。
优选地，所述红外发光源11的负端连接所述集成芯片13，所述红外发光源11的正端连接直流电源。
优选地，在所述红外发光源11中设置有红外发光二极管。
其中，所述红外发光二极管包括：SOI衬底、Ge外延层、脊形横向的PiN结构和金属电极；其中，
所述Ge外延层设置于所述SOI衬底的表面的中心位置处；
所述PiN结构设置于所述SOI衬底和所述Ge外延层的表面；
所述金属电极设置于所述脊形横向的PiN结构两侧的位置处，且电连接至所述红外光源11的管脚处。
进一步地，所述PiN结构包括：GeSn层、N型Ge区域和P型Ge区域。
优选地，所述金属电极包括正电极和负电极；其中，
所述正电极设置于P型Ge区域的上表面；
所述负电极设置于N型Ge区域的上表面。
优选地，所述红外发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。
本实施例提供的红外光模块，较现有技术中的光模块功耗更小、成本更低。
实施例二
请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种红外发光二极管的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，重点对红外发光二极管的结构和工艺进行详细介绍。
具体地，该发光二极管20包括：
SOI衬底201；
Ge外延层202，设置于SOI衬底201的上表面；
GeSn层203，设置于Ge外延层202的上表面的中间位置处；
N型Ge区域204，位于Ge外延层202一侧；
P型Ge区域205，位于Ge外延层202另一侧；
P型Ge区域205、GeSn层203和N型Ge区域204形成脊形横向的PiN结构：
正电极206，设置于P型Ge区域205的上表面；
负电极207，设置于N型Ge区域204的上表面，以形成GeSn横向结构的红外发光二极管20。
其中，Ge外延层202包括Ge籽晶层和Ge主体层；将Ge籽晶层和Ge主体层经过晶化处理后形成Ge外延层202。
优选地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种晶化处理工艺的流程示意图。晶化处理包括如下步骤：
步骤1、将包括SOI衬底201、Ge籽晶层、Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；
步骤2、采用激光再晶化(Laser re-crystallization,简称LRC)工艺晶化整个衬底材料；其中LRC工艺激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
步骤3、对整个衬底材料进行高温热退火处理以完成晶化处理。
LRC工艺是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使SOI衬底上Ge外延层熔化再结晶，横向释放Ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的Ge外延层，同时，由于LRC工艺可精确控制晶化区域，一方面避免了常规工艺中SOI衬底与Ge外延层之间的Si、Ge互扩问题，另一方面Si/Ge之间材料界面特性好。
可选地，Ge籽晶层厚度为40～50nm；Ge主体层厚度为120～150nm。
可选地，GeSn层203厚度为250～300nm。
可选地，N型Ge区域204掺杂源为P离子，掺杂浓度为1×1019cm-3。
可选地，P型Ge区域205掺杂源为B离子，掺杂浓度为1×1019cm-3。
优选地，还包括钝化层，钝化层设置于PiN结构的上表面，用于隔离正电极206及负电极207。
其中，钝化层为SiO2材料，且其厚度为150～200nm。
进一步地，正电极206和负电极207为Cr或者Au材料，且其厚度为150～200nm。
进一步地，为便于更清楚地理解本实施例，下面特举具体例子进行详细描述。
请参照图5a-图5l，图5a-图5l为本发明实施例的一种红外发光二极管的制备工艺示意图，该制备工艺包括如下步骤：
S201、衬底选取。如图5a所示，选取SOI衬底片001为初始材料；
S202、Ge籽晶层生长。如图5b所示，在275℃～325℃温度下，采用CVD工艺外延生长40～50nm的Ge籽晶层002；
S203、Ge主体层生长。如图5c所示，在500℃～600℃温度下，采用CVD工艺在在Ge籽晶层002表面生长120～150nm的Ge主体层003；
S204、氧化层的制备。如图5d所示，采用CVD工艺在Ge主体层003表面上淀积150nmSiO2层氧化层004；
S205、如图5e。将包括SOI衬底001、Ge籽晶层002、Ge主体层003及氧化层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，自然冷却整个衬底材料，形成晶化Ge外延层。采用激光工艺晶化后降低了Ge材料的位错密度和表面粗糙度，提高了Ge/SOI衬底界面质量。然后采用干法刻蚀工艺刻蚀图5d中的SiO2氧化层004。
S206、在晶化Ge外延层005上进行选择性GeSn层生长。如图5f所示，在H2氛围中将温度降到350℃以下，SnCl4和GeH4分别作为Sn和Ge源，生长厚度为250～300nm的无掺杂的直接带隙GeSn层006；
S207、Ge区域N型离子注入。在GeSn层006以及Ge外延层005表面淀积厚度为200nm的SiO2第一保护层007，选择性刻蚀SiO2第一保护层007，如图5g所示；P离子注入，形成1×1019cm-3N型Ge区域008，高温退火，刻蚀掉SiO2第一保护层007，如图5h所示；
S208、Ge区域P型离子注入。如图5i所示，在GeSn层006以及Ge外延层005表面淀积厚度为200nm的SiO2第二保护层009，选择性刻蚀SiO2第二保护层009，B离子注入，形成浓度为1×1019cm-3的P型Ge区域010，高温退火，刻蚀掉SiO2第二保护层009，如图5j所示；
S209、金属接触孔制备。如图5k所示，淀积厚度为150～200nm的SiO2钝化层011，隔离台面与外界电接触。刻蚀接触孔，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定SiO2形成金属接触孔。
S210、金属互连制备。如图5l所示。采用电子束蒸发淀积厚度为150～200nm的Cr或Au金属层012。采用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的Cr或Au金属层，采用化学机械抛光(CMP)进行平坦化处理。
综上，本文中应用了具体个例对本发明一种红外光模块的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种红外光模块，其特征在于，包括：红外发光源、接收器、集成芯片和光接口；其中，
所述集成芯片分别与所述红外发光源和所述接收器相连接；所述红外发光源和所述接收器分别与所述光接口相连接。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述集成芯片包括驱动器、放大器和处理器，所述驱动器、所述放大器均电连接至所述处理器。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述驱动器电连接至所述红外发光源，用于驱动所述红外发光源发光并控制所述红外发光源的电压来改变发光强弱，以实现将数据信号转变成光信号。
4.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述接收器电连接至所述放大器，用于将接收到的光信号转换成电信号，通过其输出端传输至所述放大器。
5.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述红外发光源的负端连接所述集成芯片，所述红外发光源的正端连接直流电源。
6.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，在所述红外发光源中设置有红外发光二极管。
7.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述红外发光二极管包括：SOI衬底、Ge外延层、脊形横向的PiN结构和金属电极；其中，
所述Ge外延层设置于所述SOI衬底的表面的中心位置处；
所述PiN结构设置于所述SOI衬底和所述Ge外延层的表面；
所述金属电极设置于所述脊形横向的PiN结构两侧的位置处，且电连接至所述红外光源的管脚处。
8.根据权利要求7所述的光模块，其特征在于，所述PiN结构包括：GeSn层、N型Ge区域和P型Ge区域。
9.根据权利要求7所述的光模块，其特征在于，所述金属电极包括正电极和负电极；其中，
所述正电极设置于P型Ge区域的上表面；
所述负电极设置于N型Ge区域的上表面。
10.根据权利要求9所述的光模块，其特征在于，所述红外发光二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述PiN结构的上表面，用于隔离所述正电极及所述负电极。
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