CN111917482A - 薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，属于集成微波光子技术领域，该芯片主要包括射频转换开关、低噪声放大器电路、功率放大器电路、激光器、电光调制器、光电探测器、光路转换开关和光延时器，实现了射频收发前端、电光/光电转换与光延时芯片的异构集成；各光芯片之间通过薄膜铌酸锂基光波导连接，光芯片与微波芯片之间通过金属凸点键合及通孔互连等工艺实现三维异构集成。该芯片可以实现基于光子技术的微波收发与波束控制功能，且具有小型化、集成度高、性能稳定等优点，满足微波光子雷达系统收发前端大规模阵列化应用需求。

Description

薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片
技术领域
本发明属于集成微波光子领域，具体涉及一种薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片。
背景技术
“微波光子学”是一门微波技术和光子技术相融合的新兴交叉学科，主要利用光子学大带宽、低损耗且抗电磁干扰等优势，研究如何利用光电子学的器件和方法来实现微波/毫米波信号的产生、分配、传输、处理、以及转换等单纯依靠传统微波方法实现过于复杂或根本无法实现的功能，在光通信、电子战、雷达、空天一体化信息系统等诸多方面具有重要应用价值。
收发组件是微波相控阵雷达系统的核心部件，对雷达整机的性能起到关键决定性作用。同理，微波光子收发前端也是基于微波光子技术的新体制雷达系统中的核心部件，承担着微波信号与光信号之间的电光/光电转化、微波功率放大及处理等功能。然而，目前该前端主要由分立的器件和光纤构建而成，价格昂贵、功耗高、可靠性低、稳定性差，难以满足系统实际应用需求。随着对微波光子技术应用研究的不断深入，各领域已对前端提出了新的迫切需求，即：在实现高速、大带宽、强处理能力的同时，要求微波光子前端具有尺寸小、重量轻、功耗低、稳定性好等特性。集成和小型化已经是微波光子收发前端的重要发展趋势。因此，针对微波光子系统应用，需要一种光子芯片与微波电路芯片集成的微波光子收发芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有微型化、集成化、稳定性高、成本低、高速、低损耗等特点的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，将微波放大电路、射频转换开关、电光/光电转换器件、光路转换开关与光延时器异构集成在同一芯片上，实现收发一体功能，从而满足未来大规模阵列化应用需求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，包括射频转换开关、低噪声放大器电路、激光器、电光调制器、光路转换开关、光延时器、薄膜铌酸锂基集成光路、光电探测器、高功率放大器电路和微波传输线；各光子器件之间通过薄膜铌酸锂基集成光路连接；各微波器件之间通过微波传输线连接；光子器件与微波器件电极之间通过垂直通孔和金属凸点键合工艺互连；
所述低噪声放大器电路、激光器和电光调制器构成接收支路，光电探测器和高功率放大器电路构成发射支路；
接收与发射工作状态的微波信号通过射频转换开关切换；接收状态和发射状态的光路通过光路转换开关切换；光延时器对收、发状态共用，用于光信号的延时处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可以在一个芯片上实现微波信号放大、光电/电光转换、光波束合成与收发一体功能，能够满足微波光子相控阵系统中的多功能阵列化应用需求；
本发明采用通孔、衬底转移、微凸点键合等工艺，将InP基激光器及探测器、微波器件与薄膜铌酸锂基多功能集成光路异质异构集成一起，同时发挥了多种材料体系在不同类型器件中的独特优势；
本发明将激光器、探测器光芯片和微波电路芯片均异构集成在薄膜铌酸锂基多功能光芯片的上表面，将光、电芯片电极均通过通孔工艺引到薄膜铌酸锂基多功能光芯片衬底背面，通过在衬底背面布线实现光、电芯片的三维异构集成互连，不仅可以降低电信号对光器件的干扰，还非常有利于芯片的管壳封装；
本发明在一个芯片上集成了射频转换开关、低噪声放大器电路、高功率放大器电路、激光器、电光调制器、光电探测器、光路转换开关和光延时器等器件，在体积、功耗、稳定性等多方面具有显著优势。
附图说明
图1为本发明薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片的结构示意图。
图2为本发明薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片的剖面结构示意图。
图中各标号的含义为：1、射频转换开关；2、低噪声放大器电路；3、激光器；4、电光调制器；5、光路转换开关；6、光延时器；7、集成光路；8、光电探测器；9、高功率放大器电路；10、微波传输线；11、金属凸点；12、键合材料；13、背面布线；14、健康监控电极；15、互连金属。
具体实施方式
如图1所示，一种薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，所述芯片包括射频转换开关1、低噪声放大器电路2、激光器3、电光调制器4、光路转换开关5、光延时器6、集成光路7、光电探测器8、高功率放大器电路9和微波传输线10；各光子器件之间通过薄膜铌酸锂基集成光路7连接；各微波器件之间通过微波传输线10连接；光子器件与微波器件电极之间通过垂直通孔和金属凸点键合等工艺互连；该芯片包含一个发射支路和一个接收支路，接收支路主要由低噪声放大器电路2、激光器3和电光调制器4组成，发射支路由光电探测器8和高功率放大器电路9组成；接收与发射工作状态的微波信号通过射频转换开关1切换；接收状态和发射状态的光路通过光路转换开关5切换；光延时器6对收、发状态共用，位于光路转换开关的输入端(发射时)或输出端(接收时)，用于光信号的延时处理；
优选的，所述集成光路7、光延时器6、光路转换开关5和电光调制器4主体均由薄膜铌酸锂材料实现，且单片集成一起，所述器件的电极均通过背孔等工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
优选的，低噪声放大器电路2、射频转换开关1和高功率放大器电路9由氮化嫁、砷化镓或磷化铟材料实现，微波器件材料可以为同种材料体系或不同材料体系，可以为分立芯片或单片集成芯片，器件电极均通过通孔工艺引到芯片背面，通过金属凸点键合等工艺正贴装在薄膜铌酸锂基芯片正面，并通过通孔等工艺将所有电极引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
优选的，所述光延时器6为基于薄膜铌酸锂光波导的光开关切换路径延时器、阵列波导光栅延时器、微环延时器或Bragg光栅延时器。
优选的，所述激光器3为InP基激光器，且通过外延层转移、键合等技术和薄膜铌酸锂基集成光路7异构集成，激光器的电极通过通孔等工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
优选的，所述光电探测器8为InP基光电探测器，且通过外延层转移、键合等技术和薄膜铌酸锂基集成光路7异构集成，光电探测器的电极通过通孔等工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
优选的，所述薄膜铌酸锂基微波光子异构集成收/发芯片统一在薄膜铌酸锂基芯片背面进行金属布线，实现相应光器件与微波器件的三维互连。
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例
图1为本发明所提出的集成微波光子收发芯片结构原理示意图，如图所示，所述芯片包括射频转换开关1、低噪声放大器电路2、激光器3、电光调制器4、光路转换开关5、光延时器6、集成光路7、光电探测器8、高功率放大器电路9和微波传输线10；各光子器件之间通过薄膜铌酸锂基集成光路连接；各微波器件之间通过微波传输线连接。
该芯片包含一个发射支路和一个接收支路，接收支路由低噪声放大器电路2、激光器3和电光调制器4组成，发射支路由光电探测器8和高功率放大器电路9组成；接收与发射工作状态通过射频转换开关1切换；接收状态和发射状态的光路通过光路转换开关5切换；光延时器6对收、发状态共用，位于光路转换开关的输入端(发射时)或输出端(接收时)。工作在接收状态时：通过射频转换开关1将微波天线接收的微波信号切换至接收支路，即微波信号通过微波传输线10进入低噪声放大器电路2，然后将放大处理后的信号通过电光调制器4将微波信号加载到激光器3提供的光路中，经电光调制器4调制后的光信号经光路转换开关5输入给光延时器6进行延时处理后输出；工作在发射状态时：从外部输入的载波光信号通过光延时器6的输入端口进入芯片，利用光延时器6进行光波相位调控，处理后的载波光信号经过光路转换开关5进入发射支路，在发射之路中首先通过光电探测器8将光信号转换为电信号，将光信号中加载的微波信号进行解调，然后经过高功率放大电路9处理，之后通过射频转换开关1并由微波天线发出。
所述低噪声放大器电路2、射频转换开关1和高功率放大器电路9由砷化镓、磷化铟或氮化镓材料实现；所述光延时器6为薄膜铌酸锂基光开关切换路径延时器、基于AWG的延时器、微环延时器或Bragg光栅延时器；所述集成光路7、光延时器6、光路转换开关5和电光调制器4主体均由薄膜铌酸锂材料实现，且单片集成一起；所述光电探测器8为磷化铟基光电探测器。
光子器件与微波器件电极之间通过垂直通孔和金属凸点键合等工艺互连；如图2所示，采用外延层转移、键合等技术将激光器3和光电探测器8通过键合材料12异构集成于薄膜铌酸锂基集成光路7上表面，将其电极通过互连金属15引到薄膜铌酸锂基芯片背面；射频转换开关1、低噪声放大器电路2和高功率放大器电路9之间通过微波传输线10互连，且通过金属凸点11键合集成于薄膜铌酸锂基集成光路7上表面，并将其电极通过互连金属15引到薄膜铌酸锂基芯片背面；电光调制器4、光路转换开关5和光延时器6均与集成光路7同材料集成，器件电极均通过互连金属15引到薄膜铌酸锂基芯片背面，薄膜铌酸锂基芯片背面设有健康监控电极14。通过在衬底背面布线13实现光、电芯片的三维异构集成互连，不仅可以降低电信号对光器件的干扰，还非常有利于微系统的管壳封装。

Claims (7)

1.一种薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：包括射频转换开关(1)、低噪声放大器电路(2)、激光器(3)、电光调制器(4)、光路转换开关(5)、光延时器(6)、薄膜铌酸锂基集成光路(7)、光电探测器(8)、高功率放大器电路(9)和微波传输线(10)；各光子器件之间通过薄膜铌酸锂基集成光路(7)连接；各微波器件之间通过微波传输线(10)连接；光子器件与微波器件电极之间通过垂直通孔和金属凸点键合工艺互连；
所述低噪声放大器电路(2)、激光器(3)和电光调制器(4)构成接收支路，光电探测器(8)和高功率放大器电路(9)构成发射支路；接收与发射工作状态的微波信号通过射频转换开关(1)切换；接收状态和发射状态的光路通过光路转换开关(5)切换；光延时器(6)对收、发状态共用，用于光信号的延时处理。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：所述集成光路(7)、光延时器(6)、光路转换开关(5)和电光调制器(4)主体均由薄膜铌酸锂材料实现，且单片集成一起，光子器件的电极均通过通孔工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：所述低噪声放大器电路(2)、射频转换开关(1)和高功率放大器电路(9)由氮化嫁、砷化镓或磷化铟材料实现，微波器件电极均通过通孔工艺引到芯片背面，通过金属凸点键合工艺正贴装在薄膜铌酸锂基芯片正面，并通过TSV工艺将所有电极引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：所述光延时器(6)为基于薄膜铌酸锂光波导的光开关切换路径延时器、阵列波导光栅延时器、微环延时器或Bragg光栅延时器。
5.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：所述激光器(3)为InP基激光器，且通过外延层转移、键合技术和薄膜铌酸锂基集成光路(7)异构集成，激光器的电极通过TSV工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
6.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：所述光电探测器(8)为InP基光电探测器，且通过外延层转移、键合技术和薄膜铌酸锂基集成光路(7)异构集成，光电探测器的电极通过TSV工艺引到薄膜铌酸锂基芯片背面。
7.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂基异构集成微波光子收发芯片，其特征在于：在薄膜铌酸锂基芯片背面进行金属布线，实现相应光子器件与微波器件的三维互连。
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