CN111276562A - 基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统 - Google Patents
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Abstract
光电子集成技术作为发挥光子优势的重要技术手段，成为光通信、微波光子等领域的重要支撑技术。然而，现有光电子集成还处在单个芯片实现单种器件的水平，多种器件之间的互连成为极大的技术挑战。本发明提出一种基于铌酸锂‑氮化硅晶圆的光电单片集成系统，利用一种新型晶圆(铌酸锂‑氮化硅晶圆)，实现了包括电光调制器、光子无源器件等在内的多器件单片集成系统。该系统的制备具有硅基CMOS工艺兼容性，可以在多数芯片制造厂商的平台上实现。并且该系统包含了电光调制、无源信号处理、光电探测在内的多个功能模块，可以满足目前多数光电子系统的单片集成。
Description
技术领域
本发明涉及光电子集成技术领域，特别是一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统。
技术背景
由于光波的宽带特性，光电子技术正在广泛的应用场景中体现优势。例如光通信领域，采用光作为信号载体，极大地提升了信道容量；再如微波光子领域，利用光子器件的可调谐性与大带宽性能，可以处理传统电子技术无法处理的超宽带信号，并且具有硬件可编程能力，为雷达、侦察等模拟信号领域带来了极大的发展潜力。传统的光电子技术基于光纤器件或者空间光器件，体积较大、功耗较高。因此，近年来光电子集成技术发展迅速，旨在将光电子器件集成到芯片上，大幅缩小体积与功耗，提升单位面积上的处理能力。以基于硅衬底的硅光子集成技术为例，该技术利用现有的补偿金属氧化物半导体(CMOS)工艺，可以在硅衬底上制备出光波导、无源器件、调制器等光电子器件。由于其与现有代工厂商的工艺兼容性好，硅基光电子技术发展迅速，已经在广泛的民用领域取得了重要应用。但是，传统硅基光电子自身也存在无法逾越的缺陷：即电光调制的效率较低、损耗较大。原因在于，硅本身的电光效应极弱，必须进行离子注入改变材料性质才能完成电光调制。而离子注入将会极大的增加器件的损耗。
另一方面，基于铌酸锂材料的电光调制器具有十分重要的优势：其电光效应明显，可直接进行电光调制。因此，基于铌酸锂材料的电光调制器具有调制效率高、低损耗、线性度高的特点。但是，基于铌酸锂的调制器由于其制备难度高，目前只有少数厂商可以完成铌酸锂调制器的制造。并且铌酸锂调制器的制备工艺与传统硅基集成工艺无法兼容，因此无法将铌酸锂调制器与硅基工艺上实现的其他光电子器件进行单片集成。若需要将一个完整的光电子系统集成到芯片级别，必须将多种器件同时实现。这些不同的器件集成在不同的芯片上，芯片之间的光耦合将成为极大的挑战与难题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统。本发明利用一种新型晶圆(铌酸锂-氮化硅晶圆)，实现了包括电光调制器、光子无源器件等在内的多器件单片集成系统。该系统的制备具有硅基CMOS工艺兼容性，可以在多数芯片制造厂商的平台上实现。并且该系统包含了电光调制、无源信号处理、光电探测在内的多个功能模块，可以满足目前多数光电子系统的实现。
本发明的技术方案如下。
一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特点是该系统集成的材料为铌酸锂-氮化硅晶圆，该晶圆的单个芯片的结构从下至上依次为衬底层、二氧化硅层、铌酸锂层、氮化硅层，在所述的氮化硅层上利用现有CMOS工艺一次刻蚀所述的电光调制阵列与所述光子无源器件阵列，随后利用现有CMOS工艺在氮化硅层上方沉积锗并制备所述的光电探测阵列，所述的电光调制阵列包含M个电光调制器，所述的光子无源器件阵列包含一种以上的光子无源器件，所述的光电探测阵列包括N个光电探测器，所述的光电单片集成系统所需的的光由外接光源经所述的电光调制阵列或者光子无源器件阵列提供，所述光电单片集成系统通过所述的光电探测阵列的输出端口进行电信号输出，或通过所述的光子无源器件阵列的光输出端口进行光信号输出。
所述的光子无源器件阵列包括一个以上光子无源器件，所述的光子无源器件为光波导、分光器、合束器、波分复用器、波分解复用器、光延时线、移相器、模斑转换器、微环谐振器、光域滤波器、色散介质、或光栅。
所述的M＝4，所述的光子无源器件阵列包含波分复用器和光栅，所述的N＝0，所述的外接光源的4个外接光源分别经所述的电光调制阵列的4个电光调制器进入经所述的波分复用器，该波分复用器合束后经所述的光栅输出光信号。
所述的M＝1，所述的光子无源器件阵列包含分光器、4根光延时线，所述的N＝4，一个外接光源依次经所述的电光调制阵列的一个电光调制器、所述的分光器，分成4路经所述的4根光延时线、所述的光电探测阵列的4个光电探测器输出电信号。
所述的M＝1，所述的光子无源器件阵列包含光域滤波器，所述的N＝1，一个外接光源依次经一个电光调制器、光域滤波器、光电探测器输出电信号。
所述的M＝1，所述的N＝1，所述的光子无源器件阵列包含第一色散介质与第二色散介质，所述的一个外接光源依次经所述的第一色散介质、电光调制器、第二色散介质和电光调制器，输出电信号。
所述的铌酸锂-氮化硅晶圆的制备方法由参考文献1(Shilei Jin,et al,LiNbO3Thin-Film Modulators Using Silicon-Nitride Surface Ridge Waveguides,IEEE Photonics Technology Letters,vol.28,no.7,pp.736-739,2016.)提供。参考文献1提供了一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的电光调制器的制备方法。其制备方法为：先对氮化硅层进行刻蚀，形成波导结构，随后将氮化硅层颠倒键合至铌酸锂层上，除去氮化硅层上的氮化硅衬底，形成的晶圆层次结构从下至上分别为铌酸锂、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅波导、二氧化硅。而本发明中采用的方式为：不对氮化硅层进行刻蚀，直接将氮化硅颠倒键合至铌酸锂层上，除去氮化硅沉底与二氧化硅，形成的晶圆层次结构从下至上分别为：铌酸锂(或者单晶硅等可以作为衬底的材料)、二氧化硅、铌酸锂、氮化硅。
本发明基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，光在所述的光电单片集成系统中的传播路径可以描述如下。将电光调制阵列编号为“1”，光子无源器件阵列编号为“2”，光电探测阵列编号为“3”，直接光端口输出编号为“4”。则光在所述的光电单片集成系统中的路径可以为“1-3”，“1-2-3”，“1-2-4”，“2-1-3”，“1-2-1-3”，“2-1-2-4”等，亦可描述为光经过电光调制阵列与光子无源器件阵列的顺序可以任意组合，而最后经过的部件为光电探测阵列或者光子无源器件阵列直接输出。
基于本发明提出的铌酸锂-氮化硅晶圆结构，电光调制阵列与光子无源器件阵列在一次刻蚀中完整的制造出来。利用现有CMOS工艺将最上方的氮化硅层进行刻蚀，即可形成所有无源器件阵列以及电光调制阵列。另一方面，由于所使用的铌酸锂-氮化硅晶圆表面是氮化硅层，可以利用现有的CMOS工艺在氮化硅层上方沉积锗制备光电探测阵列，其制备方法可见参考文献2(Gianlorenzo Masini,et al,A germanium photodetector arrayfor the near infrared monolithically integrated with silicon CMOS readoutelectronics,Elsevier Physica E,vol.16,no.3,pp.614-619,2003，)。至此，本发明中所述的光电单片集成系统的全部结构均可以完成制备。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统的总体架构图，描述了光电单片集成系统的组成、信号输入输出关系以及其部件之间的连接关系。
图2为本发明所述的铌酸锂-氮化硅晶圆剖面结构，其中(a)为刻蚀之前的晶圆剖面图，(b)为刻蚀之后的晶圆剖面图。
图3为本发明光电单片集成系统的实施例1结构示意图，即多通道波分复用光纤通信发射芯片。
图4为本发明光电单片集成系统的实施例2结构示意图，即光子相控阵天线发射芯片。
图5为本发明光电单片集成系统的实施例3结构示意图，即微波光子信号处理芯片。图中以微波光子滤波器芯片(a)与时间拉伸信号接收芯片(b)两种典型微波光子信号处理系统为例，表述本发明在实现微波光子信号处理芯片方面的可行性。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，图1为本发明基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统的总体架构图，由图可见，本发明所述的光电单片集成系统100在单个芯片上集成了电光调制阵列103、光子无源器件阵列104和光电探测阵列105。所述的电光调制阵列103包含M个电光调制器，可以接收M个电信号输入，并将这些电信号调制到光上。所述的光子无源器件阵列104包含一种以上的光子无源器件。可实现的光子无源器件种类包含光波导、分光器、合束器、波分复用器、波分解复用器、光延时线、移相器、模斑转换器、微环谐振器、光栅。所述的光电探测阵列105中集成了N个光电探测器，接收N个光信号输入，并将光强信号转换为电信号。所述光电单片集成系统100所需的的光由外界光源提供，可以直接输入电光调制阵列103或者光子无源器件阵列104。外接光源可以是连续光源或者脉冲光源。所述光电单片集成系统100的输出有两种方式。一种是通过所述的光电探测阵列105的输出端口进行电信号输出，另一种是通过所述的光子无源器件阵列104的光输出端口进行光信号输出。在所述的光电单片集成系统100内部，光的传播路径可以通过如下描述。
将电光调制阵列编号为“1”，光子无源器件阵列编号为“2”，光电探测阵列编号为“3”，直接光端口输出编号为“4”，光从外界光源进入芯片后的传播路径可以为“1-3”，“1-2-3”，“1-2-4”，“2-1-3”，“1-2-1-3”，“2-1-2-4”等。即光经过电光调制阵列103与光子无源器件阵列104的顺序可以任意组合，而最后经过的部件一定为光电探测阵列105或者光子无源器件阵列104光输出端口。
参见图2，图2为本发明所述的铌酸锂-氮化硅晶圆剖面结构，本发明基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，的特征在于，用于芯片制备的晶圆具有四层完整的晶圆结构，如图2(a)所示。从下至上的材料分别为铌酸锂衬底201，二氧化硅202，铌酸锂薄膜203与氮化硅薄膜204。在具有此结构的晶圆基础上，利用现有CMOS工艺直接对最上层的氮化硅薄膜层进行刻蚀，形成图案。从而将电光调制阵列103与光子无源器件阵列104通过一次刻蚀完整的制造出来，如图2(b)所示。极大降低了制备单片集成的难度。另一方面，由于最上方一层为氮化硅材料。可以利用现有的CMOS工艺在氮化硅层上方制备光电探测阵列105。
参见图3，图3是本发明光电单片集成系统100实施例1结构示意图。即多通道波分复用光纤通信发射芯片。该芯片的目的是将多个不同信号源发出的信号调制到不同波长的光上，将这些光波分复用后通过一条光纤传输。该芯片的结构如图3所示。首先多个(图中为4个)外接连续光源301提供不同波长的光进入芯片，在电光调制阵列103中将不同信源的电信号调制到光上，每个电光调制器302接收一路信源的电信号输入。在光子无源器件阵列104中实现波分复用器303和光栅304。波分复用器303用于将不同波长的光合并为一束光进行传播；光栅304用于将波导中的光耦合到光纤中，即是光输出端口的作用。按照前文对于光传播路径的描述，图3所述的芯片中光传播的路径为“1-2-4”。图中描述的电光调制阵列103和光子无源器件阵列104可以在一次刻蚀中制备出来。
图4为本发明所述的光电单片集成系统100实施例2结构示意图。即光子相控阵天线发射芯片。该芯片的目的是将一个信号在多个天线形成的天线阵列上发射。由于电子学技术是利用移相器进行天线之间的延时，这会导致相位模糊的问题，利用光电子技术可以形成真延时，从而达到更好的方向性。该芯片的结构如图4所示，连续光由外接光源401提供。在电光调制阵列103中将电信号调制到光上，此实施例中只用到一个电光调制器402，因此M＝1。随后，在光子无源器件阵列104中实现一个分光器403和多个(图中为4个)延时线404，每个延时线的延时量呈递增关系。随后，光进入光电探测阵列105中，其中的N＝4个光电探测器405将光强信号转换为电信号输出到天线上进行发射。按照前文对于光传播路径的描述，图3所述的芯片中光传播的路径为“1-2-3”。图中描述的电光调制阵列103和光子无源器件阵列104可以在一次刻蚀中制备出来。
图5为本发明所述的光电单片集成系统100实施例3结构示意图，即微波光子信号处理芯片。
其中(a)实施例3结构示意图，描述了一种典型的微波光子滤波器芯片。微波光子滤波器芯片的目的在于将电信号输入调制到光域，经过光域的滤波器完成输入电信号的滤波。此典型架构包含了一个电光调制器，因此M＝1；一个光子无源器件(光域滤波器)；一个光电探测器，因此N＝1。光电探测器输出的电信号即为滤波之后的信号。因此在这种典型的微波光子滤波器芯片中光的传播路径可以定义为“1-2-3”。
图5(b)为实施例4结构示意图，另一种典型的微波光子信号处理系统——时间拉伸信号接收芯片。同样包含了电光调制器(M＝1)、光子无源器件阵列(色散介质1与色散介质2)、光电探测器(N＝1)。在时间拉伸信号接收芯片中，光的传播路径为“2-1-2-3”。图中描述的电光调制阵列103和光子无源器件阵列104可以在一次刻蚀中制备出来。
上述的三个实施例表明本发明提出的光电单片集成系统100可以通过设计在光通信、光信号处理、光子(射频)雷达等应用中形成特定芯片结构。事实上，本发明光电单片集成系统100可以形成的结构特点是，系统的单元器件包含氮化硅材料上可以制作的电光调制器、光子无源器件(分光器、合束器、光延时线、波分复用器、微环谐振器、色散波导、移相器等)、利用硅-锗材料制作的光电探测器。
Claims (6)
1.一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征是该系统(100)集成的材料为铌酸锂-氮化硅晶圆，该晶圆的单个芯片的结构从下至上依次为衬底层(201)、二氧化硅层(202)、铌酸锂层(203)、氮化硅层(204)，在所述的氮化硅层(204)上利用现有CMOS工艺一次刻蚀所述的电光调制阵列(103)与所述光子无源器件阵列(104)，随后利用现有CMOS工艺在氮化硅层(204)上方沉积锗并制备所述的光电探测阵列(105)，所述的电光调制阵列(103)包含M个电光调制器，所述的光子无源器件阵列(104)包含一种以上的光子无源器件，所述的光电探测阵列(105)包括N个光电探测器，所述的光电单片集成系统(100)所需的的光由外接光源(102)经所述的电光调制阵列(103)或者光子无源器件阵列(104)提供，所述光电单片集成系统(100)通过所述的光电探测阵列(105)的输出端口进行电信号输出，或通过所述的光子无源器件阵列(104)的光输出端口进行光信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征在于，所述的光子无源器件阵列(104)包括一个以上光子无源器件，所述的光子无源器件为光波导、分光器、合束器、波分复用器、波分解复用器、光延时线、移相器、模斑转换器、微环谐振器、光域滤波器、色散介质、或光栅。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征在于，所述的M＝4，所述的光子无源器件阵列(104)包含波分复用器(303)和光栅(304)，所述的N＝0，所述的外接光源(102)的4个外接光源(302)分别经所述的电光调制阵列(103)的4个电光调制器(302)进入经所述的波分复用器(303)，该波分复用器(303)合束后经所述的光栅(304)输出光信号。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征在于，所述的M＝1，所述的光子无源器件阵列(104)包含分光器(403)、4根光延时线(404)，所述的N＝4，一个外接光源(401)依次经所述的电光调制阵列(103)的一个电光调制器(402)、所述的分光器(403)，分成4路经所述的4根光延时线(404)、所述的光电探测阵列(105)的4个光电探测器(405)输出电信号。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征在于，所述的M＝1，所述的光子无源器件阵列(104)包含光域滤波器，所述的N＝1，一个外接光源依次经一个电光调制器、光域滤波器、光电探测器输出电信号。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特征在于，所述的M＝1，所述的N＝1，所述的光子无源器件阵列(104)包含第一色散介质与第二色散介质，所述的一个外接光源依次经所述的第一色散介质、电光调制器、第二色散介质、电光调制器，输出电信号。
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