CN111585171A - 一种光信号放大器阵列、光学芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光信号放大器阵列，覆盖在一硅基波导阵列上，所述硅基波导阵列包括多个平行设置的硅基波导，所述光信号放大器阵列包括多个对应所述硅基波导的光信号放大器，每个光信号放大器覆盖在对应的硅基波导上，所述光信号放大器由三五族半导体材料构成。本发明的光信号放大器阵列能够封装到硅基波导阵列上，实现芯片级封装，同时可以提高光信号的放大增益。同时本发明还提出了对应的光学芯片及其制作方法。

Description

一种光信号放大器阵列、光学芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其是涉及一种光信号放大器阵列及基于该光信号放大器的光学芯片。

背景技术

随着数字地球6G通信时代的到来，小卫星高密度星网对通信模块提出了更多更高的要求：Gb/s高带宽，dm甚至cm级集成化超小体积。为了实现大带宽，激光空间通信因为其较高的功率(数瓦)和出众的光束指向性而备受关注。为了在数千公里的距离下实现Gb/s的通信速率，厘米级的收发光口径必不可少。目前已有的实现方案主要为使用光纤激光器搭配厘米级高速摆镜，或数百毫瓦半导体激光器搭配数厘米摆镜。这样的系统体积庞大(数升)，价格高昂，且光束扫描速度也有限，影响了链路稳定时间。

如专利CN 200610063869中，公布了一种所述光纤放大器，包括，至少一个泵浦激光器，至少一段增益介质和至少一个集成光器件，所述集成光器件包括多个光输入、输出端口，所所述泵浦激光器与其中一个光输入端口直接或间接连接，所述增益介质与光输入及输出端口直接或间接连接。该专利解决了光纤放大器中分立器件组合方式器件数量多、光纤熔接点多导致性能不稳定及体积难于压缩的问题。

然而该专利中的放大器件，只适用于单根光纤的情形，而且由于与光纤本身是分立的两个器件，因此使得组合之后的体积依然很大，且制作麻烦，不利于小面积下的大量集成。

另一方面，随着三五族半导体材料的开发应用，利用三五族半导体材料做的半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)正逐渐进入工业应用领域，譬如基于半导体光学放大器的串级全光中继放大器等，然而现有的半导体光放大器的放大效率以及尺寸仍然受限于串联方式的限制，无法实现小尺寸和高集成的效果。

由此，有必要对现有技术中的光信号放大器进行改进，已克服现有技术中体积大、无法批量制作的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种新的光信号放大器阵列，能够封装到硅基波导阵列上，实现芯片级封装，同时可以提高光信号的放大增益。

根据本发明的目的提出的一种光信号放大器阵列，覆盖在一硅基波导阵列上，所述硅基波导阵列包括多个平行设置的硅基波导，所述光信号放大器阵列包括多个对应所述硅基波导的光信号放大器，每个光信号放大器覆盖在对应的硅基波导上，所述光信号放大器由三五族半导体材料构成，包括与所述硅基波导接触的N型接触层，覆盖在所述N型接触层上的量子阱以及覆盖在所述量子阱上的P型披覆层，所述N型接触层上设有N型电极，所述P型披覆层上设有P型电极，所述N型电极和所述P型电极上施加正向电压。

优选的，所述硅基波导为脊型波导，所述量子阱设置在对应所述硅基波导的脊型突起位置的上方。

优选的，所述N型接触层的厚度使得所述硅基波导中传输的光波在所述N型接触层的接触表面所形成的倏逝波能够至少部分透入至所述量子阱中。

优选的，所述硅基波导阵列设置在一基底上，该基底包括硅半导体层和二氧化硅介质层，所述硅基波导阵列设置在所述二氧化硅层上。

优选的，所述光信号放大器还包括覆盖在所述N型接触层上的绝缘支撑体，所述量子阱以及所述P型披覆层设置在所述绝缘支撑体中，且该绝缘支撑体对应所述P型披覆层的上方设有开口，所述P型电极设置于所述开口中。

优选的，所述N型电极设置在所述量子阱的至少一侧，与所述N型接触层欧姆接触，且与所述量子阱被所述绝缘支撑体隔离。

根据本发明的目的还提出了一种光学芯片，包括由多个硅基波导并列形成的硅基波导阵列和覆盖在所述硅基波导阵列上的如上所述的光信号放大器阵列，其中所述光信号放大器阵列中的每个光放大器占据所述硅基波导阵列中的每个硅基波导的至少部分段落。

优选的，所述硅基波导阵列的输入端设有分光单元，该分光单元用以将一外部光源的光导入所述硅基波导阵列，使得所述硅基波导阵列中的至少一个硅基波导中具有光信号传输。

优选的，在所述硅基波导阵列上还设有相位调制器阵列，，用以对每个硅基波导中传输的光信号进行相位调制。

优选的，所述相位调制器阵列对每个硅基波导中传输的光信号的相位调制满足：相邻硅基波导中的光信号相位偏差ΔΦ＝2Π(d/λ)sinθ，其中θ为对应硅基波导中的光信号出射方向，d为相邻硅基波导中的间距。

优选的，所述硅基波导阵列的输出端设有光栅天线阵列，该光栅天线阵列包括对应硅基波导数量的光栅天线，每根光栅天线设置在对应硅基波导的延伸方向上。

根据本发明的目的还提出一种如上所述的光学芯片的制作方法，包括步骤：

提供半导体基底，所述半导体基底包括硅材料层和二氧化硅层，在所述二氧化硅层上外延硅层，并刻蚀出硅基波导阵列结构，

提供三五族材料构成的光信号放大器阵列芯片，该光信号放大器阵列芯片的底部为P型披覆层，中间为量子井，上部分为N型接触层，

将所述光信号放大器阵列芯片旋转180度，通过晶圆键合工艺，将所述光信号放大器阵列键合到所述硅基波导阵列上面，之后在对应N型电极和P型电极处刻蚀出电极位，并填充金属电极，然后增加塑料支撑结构进行封装，完成光学芯片的集成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下的技术效果：

1)每个单通道硅基波导都可以做放大，通道越多功率放大倍数越大。

2)体积小，能够实现芯片级封装，有利于产业化。

3)采用的是整个晶圆全部做耦合，工艺简单，成本低。

4)通过异质集成的方案，控制性噪比，单个子通道出射的光，经过物体反射回来后只能通过本通道接收，其他通道处于关闭状态或角度不够无法接收，这样可以提高性噪比。

附图说明

图1是本发明的光学芯片的结构示意图。

图2是本发明的光学芯片的结构拓扑图。

图3是本发明一种实施方式下的单个光信号放大器结构示意图。

图4是本发明光学芯片制作方法中的部分状态示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如背景技术中所述的，现有的半导体光放大器，通常是和光纤分立的两个器件，这样的话对于光信号放大的效果只能作用在单根光纤上，如果需要多光纤的情形，就需要多个半导体光放大器配合，这样一来会使得整个光通信系统过于庞大，无法集成在小尺寸芯片上，另一方面，单个光放大器的放大作用始终有限，而要多个放大器一起工作，则又会遇到上述体积过于庞大的问题。

因此，本发明为了解决该问题，提出了一种能够和半导体工艺相结合的光信号放大器，利用特殊的光放大原理，将光放大器集成到用于光信号传输的波导上，且可以做到在一块芯片上集成多个波导和多个光放大器，不仅让产品的集成度得到提高，同时由于多个光放大器的共同作用，能够显著提高整个系统的放大系数。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案做详细描述。

请参见图1和图2，图1是本发明的光学芯片的结构示意图，图2是本发明的光学芯片的结构拓扑图。如图所示，该光学芯片1包括半导体基底10，以及设置在该半导体基底10上的分光单元23和硅基波导阵列20，分光单元23设置在该硅基波导阵列20靠近输入端21处，当外部光源发出的光信号进入本发明的光学芯片1后，经过该分光单元23，然后由分光单元23对光信号进行分光和分配，分光之后可以形成多路光信号，也可以只形成1路光信号，当有多路光信号时，每一路光信号会分别进入硅基波导阵列20中的部分或全部硅基波导，当只有1路光信号时，分光单元23根据光信号需要，选择合适的硅基波导进行导入，以确保硅基波导阵列20中至少有1路硅基波导中具有光信号传输。

请再参见图1，所述硅基波导阵列20中包括多个并列的硅基波导，通常这些硅基波导之间平行设置，在一些特殊的应用场合下，如硅基波导并非直线形波导时，也可以在阵列排布时，做出非平行的设计。当硅基波导平行设计时，所有硅基波导之间的间距可以设计成等间距设计，也可以设计成非等间距设计。在非等间距设计中，每两路相邻的硅基波导之间的间距，可以由对应光信号出射时的光学相位调整需要而进行设计。

在硅基波导阵列20上，集成有相位调制器阵列23和光信号放大器阵列30。其中，相位调制器阵列23可以设置在相对所述光信号放大器阵列30更靠近所述输入端21的前端，也可以设置在后端，用以对每个硅基波导中传输的光信号进行相位调制。该相位调制器阵列23中包括与硅基波导阵列20中对应硅基波导数量的相位调制器，以一种实施方式而言，该相位调制器采用电光相位调制，即通过在相位调制器上施加电压形成电场干预，实现对硅基波导中传输的光信号的相位调制。相位调制时，既可以通过对相位调制器阵列23中的每个相位调制器进行控制，从而实现对每个硅基波导中的光信号进行单独调制，也可以由统一的电信号对整个相位调制器阵列23进行控制，从而实现对所有硅基波导中的光信号进行整体的相位调制。

较优的，相位调制器阵列23对每个硅基波导中传输的光信号的相位调制满足：相邻硅基波导中的光信号相位偏差ΔΦ＝2Π(d/λ)sinθ，其中θ为对应硅基波导中的光信号出射方向，d为相邻硅基波导中的间距。这样就可以在光信号从光学芯片射出时，相邻两个波导中的光信号进行干涉相加，从而达到对光信号的输出增益效果。

光信号放大器阵列30包括多个对应所述硅基波导的光信号放大器，每个光放大器占据所述硅基波导阵列中的每个硅基波导的至少部分段落。当硅基波导中有光信号经过光放大器所在的段落时，光信号会被该光信号放大器放大，放大后的光信号继续在硅基波导中传输，直至被射出。在一种实施方式中，光信号放大器可以进行分段式分布，即将光信号放大器分成多段，分布在单个硅基波导长度方向上的多段区域，这样光信号经过每段设有光信号放大器的段落时，都会被放大。

请参见图3，图3是本发明一种实施方式下的单个光信号放大器结构示意图。如图所示，光信号放大器由三五族半导体材料构成，比如InP、GaAs、GaN等可以受激发光的材料。该光放大器包括与硅基波导25接触的N型接触层31，覆盖在所述N型接触层31上的量子阱32以及覆盖在所述量子阱32上的P型披覆层33，所述N型接触层31上设有N型电极34，所述P型披覆层33上设有P型电极35，所述N型电极34和所述P型电极35上施加正向电压。N型接触层31是一个比较薄的薄层，一般设计成几个纳米至几十个纳米，远远小于光波长，这样当下方的硅基波导中有光信号传输时，光波虽然在N型接触层31上发生全反射，但是会有部分倏逝波透过该N型接触层，从而进入量子阱中，由于在量子阱上施加的电场方向使得光子激发的电子与P型披覆层中的空穴配对结合，从而释放出光子，加上量子阱本身对光子的集聚效应，使得光子的数量越来越多，从而放大光信号能量，并最终返回至硅基波导中，完成一次增益。

请再参见图3，单根硅基波导25一般为脊型波导，该硅基波导25的两侧可以是空气，也可以填充折射率小于硅的其他材料。所述量子阱32设置在对应所述硅基波导25的脊型突起位置的上方，这样一来光信号透入到光放大器中后，可以有效激发材料中的电子-空穴对，并受量子阱作用形成光子集聚。进一步的，半导体基底10上还设有一层二氧化硅介质层11，所述硅基波导阵列设置在所述二氧化硅层11上，由于二氧化硅的折射率小于硅的折射率，使得光信号能够在上下两个表面都形成全反射。

较优的，光放大器件还包括覆盖在所述N型接触层上的绝缘支撑体36，所述量子阱32以及所述P型披覆层33设置在所述绝缘支撑体36中，且该绝缘支撑体36对应所述P型披覆层33的上方设有开口，所述P型电极34设置于所述开口中，并通过金属外延层在绝缘支撑体36表面形成接触电极341。该绝缘支撑体36一方面起到包封光放大器的作用，从而对内部的量子阱32、P型披覆层33等形成保护。另一方面也可以方法光从放大器中逸出，从而降低对光信号的能量增益作用。同时，所述N型电极35设置在所述量子阱32的至少一侧，与所述N型接触层欧姆31接触，且与所述三五族量子阱32被所述绝缘支撑体隔离，从而避免N型电极35与量子阱接触造成短路。

对于本发明而言，硅基波导阵列的大小可以视芯片的使用场景而定，而通常单个硅基波导的尺寸在亚微米只微米级别，对于一块cm2级别的芯片而言，可以集成上千条硅基波导，如果每个波导上都有放大器，那么最终形成的效果就是对上千个分光信号进行放大，因此即使单个放大器的放大增益不会很大，但是经过上千条分光信号的最后汇聚，就可以得到的一个较大的放大增益。另一方面，本发明的光信号放大器采用三五族材料制作的PIN结构，可以采用和硅基波导进行上下叠加的方式进行封装集成，克服了原先串接式放大器占据较大空间的问题，从而使得本发明的光学芯片能够真正产品化。

请再参见图1，在本发明的光学芯片输出端上，设有光栅天线阵列40，该光栅天线阵列40包括对应硅基波导数量的光栅天线，每根光栅天线设置在对应硅基波导的延伸方向上。硅基波导中经过光信号放大器放大后的光信号进入对应的光栅天线阵列之后，沿着传输方向缓慢泄露，辐射的漏波将在sinθ＝n-λ/L干涉相长形成光束，θ为准直方向，L为光栅周期。通过改变波长，我们可以实现纵向准直方向θ的扫描。

请参见图4，图4是本发明光学芯片制作方法中的部分状态示意图。如图所示，在制作本发明的光学芯片时，

首先，提供半导体基底，包括硅材料层10和二氧化硅层11，在二氧化硅层11上外延硅层，并刻蚀出硅基波导阵列结构(图示中仅以单个硅基波导25为例)，光信号在硅基波导25中的传输方向为垂直纸面方向。

第二，提供三五族材料构成的光信号放大器阵列芯片，底部为P型披覆层33，中间为量子井32，上部分为N型接触层31。

第三，将光信号放大器阵列芯片旋转180度，通过晶圆键合工艺，将光信号放大器阵列键合到所述硅基波导上面，之后在三五族的N、P两个电极处刻蚀出电极位，并填充金属电极，然后增加塑料支撑结构进行封装，完成芯片的集成。

对于光学芯片中其他功能组件的集成，可以采用类似的半导体倒装工艺，比如在集成相位调制器阵列时，也可以采用倒装工艺将制作完的相位调制器阵列芯片封装到硅基波导阵列表面。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (12)

1.一种光信号放大器阵列，覆盖在一硅基波导阵列上，所述硅基波导阵列包括多个平行设置的硅基波导，其特征在于：所述光信号放大器阵列包括多个对应所述硅基波导的光信号放大器，每个光信号放大器覆盖在对应的硅基波导上，所述光信号放大器由三五族半导体材料构成，包括与所述硅基波导接触的N型接触层，覆盖在所述N型接触层上的量子阱以及覆盖在所述量子阱上的P型披覆层，所述N型接触层上设有N型电极，所述P型披覆层上设有P型电极，所述N型电极和所述P型电极上施加正向电压。

2.如权利要求1所述的光信号放大器阵列，其特征在于：所述硅基波导为脊型波导，所述量子阱设置在对应所述硅基波导的脊型突起位置的上方。

3.如权利要求2所述的光信号放大器阵列，其特征在于：所述N型接触层的厚度使得所述硅基波导中传输的光波在所述N型接触层的接触表面所形成的倏逝波能够至少部分透入至所述量子阱中。

4.如权利要求1所述的光信号放大器阵列，其特征在于：所述硅基波导阵列设置在一基底上，该基底包括硅半导体层和二氧化硅介质层，所述硅基波导阵列设置在所述二氧化硅层上。

5.如权利要求1所述的光信号放大器阵列，其特征在于：所述光信号放大器还包括覆盖在所述N型接触层上的绝缘支撑体，所述量子阱以及所述P型披覆层设置在所述绝缘支撑体中，且该绝缘支撑体对应所述P型披覆层的上方设有开口，所述P型电极设置于所述开口中。

6.如权利要求5所述的光信号放大器阵列，其特征在于：所述N型电极设置在所述量子阱的至少一侧，与所述N型接触层欧姆接触，且与所述量子阱被所述绝缘支撑体隔离。

7.一种光学芯片，其特征在于：包括由多个硅基波导并列形成的硅基波导阵列和覆盖在所述硅基波导阵列上的如权利要求1-6任意一项所述的光信号放大器阵列，其中所述光信号放大器阵列中的每个光放大器占据所述硅基波导阵列中的每个硅基波导的至少部分段落。

8.如权利要求7所述的光学芯片，其特征在于：所述硅基波导阵列的输入端设有分光单元，该分光单元用以将一外部光源的光导入所述硅基波导阵列，使得所述硅基波导阵列中的至少一个硅基波导中具有光信号传输。

9.如权利要求8所述的光学芯片，其特征在于：在所述硅基波导阵列上还设有相位调制器阵列，-用以对每个硅基波导中传输的光信号进行相位调制。

10.如权利要求9所述的光学芯片，其特征在于：所述相位调制器阵列对每个硅基波导中传输的光信号的相位调制满足：相邻硅基波导中的光信号相位偏差ΔΦ＝2Π(d/λ)sinθ，其中θ为对应硅基波导中的光信号出射方向，d为相邻硅基波导中的间距。

11.如权利要求7所述的光学芯片，其特征在于：所述硅基波导阵列的输出端设有光栅天线阵列，该光栅天线阵列包括对应硅基波导数量的光栅天线，每根光栅天线设置在对应硅基波导的延伸方向上。

12.一种如权利要求7-11任意一项所述的光学芯片的制作方法，其特征在于，包括步骤：

提供半导体基底，所述半导体基底包括硅材料层和二氧化硅层，在所述二氧化硅层上外延硅层，并刻蚀出硅基波导阵列结构，

提供三五族材料构成的光信号放大器阵列芯片，该光信号放大器阵列芯片的底部为P型披覆层，中间为量子井，上部分为N型接触层，

将所述光信号放大器阵列芯片旋转180度，通过晶圆键合工艺，将所述光信号放大器阵列键合到所述硅基波导阵列上面，之后在对应N型电极和P型电极处刻蚀出电极位，并填充金属电极，然后增加塑料支撑结构进行封装，完成光学芯片的集成。

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