CN109581584A - 一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种硅‑铌酸锂异质集成扫描芯片，包括铌酸锂衬底、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；二氧化硅包层附在铌酸锂衬底上；芯层包括光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光分束单元、弯曲波导和出射波导阵列位于上述二氧化硅包层内；热光移相器置于二氧化硅包层上；热光移相器位于所述弯曲波导上；光分束单元包括多个基于硅波导的分束器。本发明将硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成，基于光学相控阵技术，采用热光调制从而改变波导折射率，进而使光束相位变化，出射方向发生偏转，从而获取1520纳米～1620纳米光通信波段的高速低损耗光调制芯片结构。本发明还提出了该芯片的制备方法和应用。

Description

一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及一种光通信波段的高速光调制芯片，尤其涉及一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用。
背景技术
随着大数据时代的到来，通信网络带宽和容量规模快速增加，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，因而急需开发出超高速、低能耗的新型集成光电子器件。其中，光调制器作为光信息处理、光谱测量、光存储等多个领域的核心器件，已发展出基于电光、声光、磁光等效应的多种器件，而电光调制器通过外加电场的变化调控输出光的振幅或相位，在功耗、速度、集成性等方面都有一定的优势，研究也最为广泛。
铌酸锂晶体具有较大的非线性光学系数，同时还具有优良的光折变、压电和声学特性，又可用作倍频晶体材料，具有良好的物理机械性能，损伤阈值高、透光范围宽、透过率高、且材料成本相对较低，因此在光调制器方面的应用最为成熟，当前也有其他可用于集成电光调制芯片的材料如绝缘体上硅材料(SOI)。但由于硅材料本身的二阶非线性光学系数很小，很难实现电光调制，故常需通过外加载流子浓度的变化来调制材料的光学性质，进而实现光波的调制，如通过离子注入形成p-i-n型的结构，但这也导致了波导的传输损耗较大，且调制效率不高。因此，针对低损耗波导与铌酸锂材料的异质集成方面，目前为止，尚未出现针对1520纳米～1620纳米光通信波段给出在硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成的结构设计以及实现途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用，将硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成，基于光学相控阵技术，采用热光调制从而改变波导折射率，进而使光束相位发生偏转，从而获取1520纳米～1620纳米光通信波段的高速低损耗光调制芯片结构。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，包括铌酸锂衬底、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；所述二氧化硅包层附在所述铌酸锂衬底上；
所述芯层包括光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光束依次经过光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；
所述光分束单元、弯曲波导和出射波导阵列位于所述二氧化硅包层内；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；所述热光移相器位于所述弯曲波导上；
所述光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽为1520nm～1620nm。
优选地，所述分束器包括一个输入分束器和四个并联的输出分束器；所述输入分束器与输出分束器串联；所述输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。
优选地，所述输出端口之间的间隔为1.02μm。
优选地，所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；
所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；
所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。
优选地，所述多模干涉耦合段的宽度为8μm；所述多模干涉耦合段的长度为30.41μm。
优选地，所述输入锥形波导段的大端宽度为1μm，小段宽度为0.5μm。
优选地，所述芯层为脊型波导。
优选地，所述芯层的刻蚀深度为0.22μm。
本发明提出了一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备绝缘体，所述绝缘体包括依次设置在硅基片上的二氧化硅缓冲层和硅衬底；
2)将铌酸锂衬底与硅基片晶圆键合；
3)基于离子刻蚀、抛光和湿法腐蚀工艺去除硅衬底；
4)基于湿法腐蚀工艺去除二氧化硅缓冲层；
5)基于刻蚀工艺在硅基片上制备分束单元、弯曲波导和出射波导阵列；
6)通过化学气相沉积在硅基片上包覆二氧化硅包层；
7)在弯曲波导上设置热光移相器。
本发明提出了一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的应用，所述硅-铌酸锂异质集成扫描芯片用于激光测距系统实现一维扫描测距。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1)该芯片基于硅-铌酸锂制作，基于光学相控阵技术，采用热光调制从而改变波导折射率，进而使光束相位发生偏转，输出效率可达24.84％，具有优良的电光调制特性，可同时实现光束高速移相偏转和低传输损耗。
2)该芯片高度集成，结构紧凑且加工简单，制作容差大。
附图说明
图1为本发明一实施例的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的结构图；
图2为图1中分束器的结构图；
图3为图2中分束器处的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的截面图；
图4是图1中多模干涉波导宽度为8微米时不同耦合长度的透过率图；
图5是图1中硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的制作流程图；
图6是图1中硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的激光测距原理图；
图7是图1中硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的测距过程图。
其中，1-输入分束器，2-输出分束器，3-弯曲波导，4-热光移相器，5-出射波导阵列，6-铌酸锂衬底，7-二氧化硅包层，8-芯层，9-光纤分路器，10-同步信号处理模块，11-时间相关模块，12-量子探测器，13-PIN光电二极管，14-第三透镜，15-光阑，16-空间光收集装置。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1、图3所示，一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，包括铌酸锂衬底6、二氧化硅包层7和基于硅波导的芯层8；二氧化硅缓包层7附在铌酸锂衬底6上；芯层8包括光分束单元、弯曲波导3、热光移相器4和出射波导阵列5；光束依次经过光分束单元、弯曲波导3、热光移相器4和出射波导阵列5，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；光分束单元、弯曲波导3和出射波导阵列5位于述二氧化硅包层7内；热光移相器4置于二氧化硅包层7上；热光移相器4位于弯曲波导3上；光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；分束器的工作带宽为1520nm～1620nm。具体的，分束器包括一个输入分束器1和四个并联的输出分束器2；输入分束器1与输出分束器2串联；输入分束器1和输出分束器2均设有1个输入端口和4个输出端口。即以光分束单元，一个1×16多模干涉分束器作为基本结构，1×16多模干涉分束器由五个1×4多模干涉分束器级联而成，1×4多模干涉分束器可对输入的TE偏振光实现一分四均匀输出经过弯曲波导3之后输出，在弯曲波导3上镀设移相器即Ti/Au金属电极，给Ti/Au电极加上电压，波导温度升高改变波导折射率，从而实现光束偏转。
在本实施例中，芯层8为脊型刻透波导，刻蚀深度为0.22微米。高速移相器主要基于热光调制，在分束器输出端弯曲波导3上镀Ti/Au金属材料，厚度为100纳米，面积为250×5平方微米。
如图2所示，分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；输入段包括输入直波导段和与输入直波导段连接的输入锥形波导段；输入锥形波导段的大端连接多模干涉耦合段；输出段包括4个输出锥形波导段和与输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；输出锥形波导段的大端与多模干涉耦合段连接。分束器即1×4多模干涉分束器由1个输入直波导和锥形波导、多模干涉区、4路输出直波导和锥形波导以及4路弯曲波导3组成。1×4多模干涉分束器的规格参数设计时，在1550nm波长时计算不同宽度的直波导段的有效折射率，依据基模条件选择输入波导段宽度。设计时，首先确定其等效宽度，将各个不同模场宽度近似为基模场宽度，即式中v为模式序数，Wev为第v个模场的有效宽度，We为基模场有效宽度，W为MMI区(多模干涉耦合段)实际宽度,λ0为中心波长，nr为芯层8折射率，nc为覆层折射率。则1×4MMI分束器的最小长度为经计算，多模干涉耦合段的宽度e为8微米时，长度d为38微米；输入直波导段的宽度a、输出直波导段的宽度为0.5微米，长度为10微米且输出直波导段之间的间隔为1.02微米；输入锥形波导段的长度b为18微米，小端和大端的宽度c分别为0.5微米和1微米；输出锥形波导段的长度g为18微米，大端的宽度f和小端的宽度分别为1微米和0.5微米。采用Rsoft-BPM进行模拟，在TE偏振情况下给芯片的长度对传输效率的影响，优化后多模干涉长度取30.41微米。最终优化的1×4MMI分束器结构对于TE偏振光均可实现4路光束相位和传输效率相同，级联后16束的光相位及传输效率也相同。使得移相器对光束进行灵敏的相位调制。
由图4可知，在耦合长度为30.41微米情况下，该1×4多模干涉分束器输出效率最高，可达24.84％，各端口误差在0.02％以内。其中，传输效率定义为(输出功率/输入功率)，单位为百分比。
如图5所示，制备硅-铌酸锂异质集成扫描芯片时，首先准备绝缘体，绝缘体包括依次设置在硅基片上的二氧化硅缓冲层和硅衬底；之后将铌酸锂衬底6与硅基片晶圆键合，通过离子刻蚀、抛光和湿法腐蚀工艺去除硅衬底、通过湿法腐蚀工艺去除二氧化硅缓冲层、通过电子束曝光、等离子体刻蚀工艺在硅基片上制备分束单元、弯曲波导3和出射波导阵列5、样品经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积2微米厚的二氧化硅上包层，最后在弯曲波导3上设置Ti/Au加热器。其中，Ti/Au加热器的厚度为100纳米，面积为250×5平方微米。芯层输入波导厚度为220纳米、宽度为500纳米。
图6中，可用于激光测距，具体以多脉冲量子测距为例。将该芯片取代激光测距系统的准直扩束器，光纤激光器发射的激光信号经过光纤分路器9后，大部分光进入上述芯片，输出的一维高速扫描光束作为探测激光，照射目标物。小部分激光被PIN光电二极管13转化成电信号送入同步信号处理模块10。量子探测器12收集目标物漫反射的激光信号并转化成电信号。依据时间相关计数模块11，记录周期性的回返光的到达时间及回返光子数，从而获得距离信息。具体的，目标物漫反射回来的激光信号，通过空间光收集装置16，并通过两个透镜和第三透镜14进行聚焦。加入滤波片，减小其他波长的背景光噪声的影响。加入光阑15，可以减少系统中杂散光信号的影响。最后，回返光信号送入光纤耦合的量子探测器12，转换成电信号，送入时间相关光子计数模块。时间相关光子计数模块，记录“开始”“停止”信号间的时间间隔。本方案采用周期性的光信号，因此，需要通过一个同步信号处理模块10，将信号转换成单个同步脉冲信号，作为“开始”信号。量子探测器12的输出信号作为“停止”信号。
图7中，时间相关光子计数器工作在一次“开始”，一次“停止”模式，即同步信号处理模块10输出一个信号作为“开始”信号到达计数器，计数器开始计时，而量子探测器12输出一个信号作为“停止”信号到达计数器，计数器记录到达时间并停止计数，直到下一个同步信号处理模块10输出的“开始”信号到达，再开始下一次的记录。目标物的距离可根据s＝ct/2计算得，其中，c是该波段激光在空气中的传播速度。由于量子探测器12的探测效率限制，回返光信号不一定能100％探测到，此外在复杂天气下，回返光信号受影响产生一定程度的衰减。图中，c1～c4分别表示出射激光、PIN光电二极、回返激光信号和量子探测器12的记录图，t表示激光脉冲飞行时间。
综上，在本发明实施例提供的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片中，通过将一束激光信号分束成16路，并进行相位调控达到快速一维扫描，并作为激光测距的信号光照射在目标物，经漫反射返回空间光收集模块。同时时间相关模块11以及量子探测器12分别完成记录、探测的功能。本发明高度集成，结构紧凑，易于携带，同时增加激光测距的灵活性，有效降低成本。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，包括铌酸锂衬底、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；所述二氧化硅包层附在所述铌酸锂衬底上；
所述芯层包括光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光束依次经过光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；
所述光分束单元、弯曲波导和出射波导阵列位于所述二氧化硅包层内；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；所述热光移相器位于所述弯曲波导上；
所述光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽为1520nm～1620nm。
2.根据权利要求1所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述分束器包括一个输入分束器和四个并联的输出分束器；所述输入分束器与输出分束器串联；所述输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。
3.根据权利要求2所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述输出端口之间的间隔为1.02μm。
4.根据权利要求2所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；
所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；
所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。
5.根据权利要求4所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述多模干涉耦合段的宽度为8μm；所述多模干涉耦合段的长度为30.41μm。
6.根据权利要求4所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述输入锥形波导段的大端宽度为1μm，小端宽度为0.5μm。
7.根据权利要求2所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述芯层为脊型波导。
8.根据权利要求7所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，其特征在于，所述芯层的刻蚀深度为0.22μm。
9.一种如权利要求1～8之任一项所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备绝缘体，所述绝缘体包括依次设置在硅基片上的二氧化硅缓冲层和硅衬底；
2)将铌酸锂衬底与硅基片晶圆键合；
3)基于离子刻蚀、抛光和湿法腐蚀工艺去除硅衬底；
4)基于湿法腐蚀工艺去除二氧化硅缓冲层；
5)基于刻蚀工艺在硅基片上制备分束单元、弯曲波导和出射波导阵列；
6)通过化学气相沉积在硅基片上包覆二氧化硅包层；
7)在弯曲波导上设置热光移相器。
10.一种如权利要求1～9之任一项所述的硅-铌酸锂异质集成扫描芯片的应用，所述硅-铌酸锂异质集成扫描芯片用于激光测距系统实现一维扫描测距。
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