CN112864795B - Vcsel相干阵列与mzi阵列片上集成的光芯片结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法，包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，器件层制备有光波导结构，缓冲层制备有电极结构；LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，垂直耦合端口置于凹槽内；垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，倾斜段设有光栅耦合器；凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有VCSEL相干阵列。本发明光芯片提高了系统的信息处理速率。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，涉及VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法。
背景技术
众所周知，5G后的高速时代，速度相较于4G提升了100倍以上，其峰值传输速率最高可达到10Gbps。随之而来的是海量数据处理需要强有力的信息处理技术予以支撑。
目前基于电子的信息处理技术已经越来越不能满足人工识别、大数据、图像处理等领域的需要，一是硬件方面，基于摩尔定律走到今天的5nm工艺已经越来越接近物理极限；二是电子本身的物理特性决定了其处理技术的单一比特位数的特征，即使采取分布式计算仍然无法根本性的解决运算能力问题。
光芯片是一种高度集成的元器件，其所集成的元件包括激光器、调制器、耦合器、分束器、波分复用器、探测器等等，光芯片可运用半导体发光技术，产生持续的激光束，驱动其他光子器件，从而实现让光子代替传统的电子作为传输媒介，进行信息的传输与处理；理论上，相比于传统的电子芯片，光芯片的计算速度可提高1000倍以上，且功耗仅为电子芯片的百分之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法，用该光芯片代替电子芯片，解决电子芯片信息处理速率低的问题，使系统的信息处理速度以光速进行。
为实现上述目的，本发明提供了一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构，包括：
包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；
所述MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，所述LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，所述器件层制备有所述光波导结构，所述缓冲层制备有所述电极结构；
所述LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，所述垂直耦合端口置于所述凹槽内；所述垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，所述倾斜段设有光栅耦合器；
所述凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有所述VCSEL相干阵列，所述VCSEL相干阵列为底面发射结构，且发射光源位置对应所述光栅耦合器。
作为本发明的进一步改进，
所述VCSEL相干阵列设有M*N个VCSEL发光单元，M、N均大于1；
所述M*N个VCSEL发光单元设置为四方形阵列或六角形阵列；
所述VCSEL相干阵列的衬底层的厚度与四方形阵列或六角形阵列的间距以及VCSEL相干阵列的激射波长满足Talbot关系式。
作为本发明的进一步改进，所述倾斜段与水平方向的夹角为5～11°。
作为本发明的进一步改进，所述光波导结构包括顺次连接的输入波导、3dB分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB合束器和输出波导，所述输入波导上设有耦合端口，所述耦合端口连接所述第一贴合段。
作为本发明的进一步改进，所述电极结构为共面波导结构，包括信号电极和地电极，所述信号电极位于地电极中间，所述上下平行的波导干涉臂位于所述信号电极和地电极之间。
本发明还提供了一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构的制备方法，包括：
步骤1、在VCSEL外延片上制作背光侧台面，在所述背光侧台面中上制备氧化限制孔，在所述氧化限制孔上侧制备第一电极并对台面衬底做钝化处理；
步骤2、对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点；
步骤3、对台面衬底进行划片处理，制备VCSEL相干阵列备用；
步骤4、在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；
步骤5、在LNOI衬底上，将耦合端口处倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
步骤6、在缓冲层上方制备信号电极和地电极，在垂直耦合端口上侧边缘制备压焊点；
步骤7、将VCSEL相干阵列垂直放置在LNOI衬底上的垂直耦合端口上方，通过压焊点将VCSEL相干阵列焊接在所述垂直耦合端口上。
作为本发明的进一步改进，步骤2中所述对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点，包括：
磨片机将所述台面衬底磨抛至500±20μm厚度；
利用PECVD沉积SiO2对台面衬底上的出射激光片进行保护钝化；
在所述出射激光片上溅射
的AuGeNi/Au作为第二电极，然后在根据Talbot距离在相应位置蒸镀半透半反膜；
在电极外侧制作压焊点。
作为本发明的进一步改进，步骤4中，所述在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；包括：
在LNOI衬底的器件层上表面溅射100～320nm厚的金属Cr作为掩膜，然后经过紫外光刻、深紫外光刻或电子束曝光以及显影、坚膜工艺将MZI阵列和垂直耦合端口处的图形转移到Cr掩膜上；
将LNOI衬底置于质子交换炉中，以熔融的苯甲酸为质子源，通过交换温度和时间控制质子交换深度，将质子交换后的LNOI衬底清洗后置于ICP腔室，利用干法刻蚀刻蚀出光波导结构。
作为本发明的进一步改进，步骤5中，所述在LNOI衬底上，将垂直耦合端口中倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；包括：
在LNOI衬底上旋涂一层光刻胶并进行坚膜，通过曝光和显影将耦合光栅及第二贴合段附近区域的光刻胶去除；
利用氟脂、硅脂或石蜡对LNOI衬底四周进行保护，将LNOI衬底置于氢氟酸溶液之中，将垂直耦合端口处倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
采用Cr腐蚀液去除LNOI衬底上剩余的Cr金属，通过去胶液去除当前芯片上的光刻胶，并用去离子水冲LNOI衬底，使垂直耦合端口中的第二贴合段贴合并固定在支撑衬底层上。
作为本发明的进一步改进，步骤6中，利用电镀方式在缓冲层上方制备信号电极和地电极，在垂直耦合端口上侧边缘制备压焊点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过将出射相干光束的VCSEL相干阵列与薄膜铌酸锂上的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)阵列进行垂直耦合集成，使得VCSEL出射的相干光进入MZI阵列，然后在MZI阵列中被分成两部分，两部分经过不同程度的电光效应实现不同程度的相位调整，然后将具有不同相位的信号进行组合实现信号的相长或相消干涉，从而有效地实现整个MZI阵列的信号处理，整个芯片系统的处理速度将以光速运行。
本发明基于Talbot效应的二维VCSEL相干阵列能够提供均匀的高功率相干光输出，利用其垂直出射的特点。
本发明通过倒装焊工艺，能够容易的将VCSEL相干阵列与LNOI上MZI阵列通过倾斜的光栅耦合器实现片上集成，倾斜的光栅耦合器不仅降低了激光器的背反射效应、二阶反射，还提高了耦合效率，而且由于其垂直耦合的特点更加方便芯片的检测与封装。
本发明采用的VCSEL相干阵列相较于其他III-V族边发射激光器，阈值电流低，有利于降低整体器件的功耗。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的VCSEL相干阵列的芯片结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的MZI阵列中MZI光波导单元示意图；
图4为本发明一种实施例公开的MZI阵列中光波导结构示意图；
图5为本发明一种实施例公开的LNOI衬底上MZI光波导单元的剖面结构示意图；
图6为本发明一种实施例公开的LNOI衬底上垂直耦合端口剖面结构示意图；
图7为本发明一种实施例公开的排布成四方形阵列的VCSEL相干阵列平面结构示意图；
图8为本发明一种实施例公开的排布成四方形阵列的VCSEL相干阵列平面的出光面的结构示意图；
图9为本发明一种实施例公开的排布成六角形阵列的VCSEL相干阵列平面结构示意图；
图10为本发明一种实施例公开的排布成六角形阵列的VCSEL相干阵列平面的出光面的结构示意图。
附图标记：
1、VCSEL相干阵列；11、第一电极；12、钝化层；13、欧姆接触层；14、后镜；15、氧化光学限制层；16、有源层；17、前镜；18、衬底层；19、第二电极；2、MZI阵列；21、支撑衬底层；22、掩埋绝缘体层；23、器件层；24、缓冲层；25、电极结构；251、信号电极；252、地电极；3、垂直耦合端口；31、第一贴合段；32、倾斜段；33、第二贴合段；4、压焊点；5、半透半反膜；6、MZI光波导单元；61、耦合端口；62、输入波导；63、3dB分束器；64、波导干涉臂；65、3dB合束器；66、输出波导；7、VCSEL发光单元；8、电极引线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供的一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构，包括集成在同一LNOI衬底上的MZI阵列和垂直耦合端口3，垂直耦合端口3上方连接VCSEL相干阵列1；
如图2所示，VCSEL相干阵列1为底面发射结构，包括前镜17，前镜17生长在衬底层18上，前镜17上依次生长有有源层16、氧化光学限制层15、后镜14、欧姆接触层13以及钝化层12，欧姆接触层13上制备有第一电极11，衬底层18出光侧对应氧化光学限制层15的氧化孔径位置设有凹槽，在凹槽位置设有第二电极19，在衬底层18上凹槽外的位置镀半透半反膜5，并在半透半反膜5位置激射激光，实现高光束质量的相干光输出；
其中，
VCSEL相干阵列1具有M*N个VCSEL发光单元7，M、N均大于1；
M*N个VCSEL发光单元7设置为四方形阵列或六角形阵列，如图7所示，为排布成四方形阵列的VCSEL相干阵列平面结构，如图9所示，为排布成六角形阵列的VCSEL相干阵列平面结构；
VCSEL相干阵列1的衬底层18的厚度与四方形阵列或六角形阵列的间距以及VCSEL相干阵列1的激射波长满足Talbot关系式，公式(1)、(2)分别给出了排布为四方形阵列和六角形阵列的VCSEL相干阵列Talbot关系式：
式中，L为Talbot长度，λ为激射波长，D为两相邻VCSEL发光单元7的中心间距，n为衬底材料折射率，如图8和10所示，分别为排布成四方形和六角形阵列的VCSEL相干阵列平面的出光面的结构示意图，其中，第二电极19之间通过电极引线8相连接。
如图1、5所示，MZI阵列集成在LNOI衬底上，LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层21、掩埋绝缘体层22、器件层23和缓冲层24，器件层23制备有光波导结构，如图4所示，光波导结构中包括多个MZI光波导单元6，缓冲层24制备有电极结构25；
其中，
器件层23厚度为300～900nm，掩埋绝缘体层22厚度为1000～4000nm，支撑衬底层21厚度为400～500μm；光波导结构可选择X-切Y传或者Z-切Y传，为保证最大限度利用电光效应，施加电压方向保证与晶体Z轴方向平行；
电极结构25可采用Au或Pt制成，宽为5～30μm，高为0.3～3μm，为共面波导结构，包括信号电极251和地电极252，信号电极251位于地电极252中间，上下平行的波导干涉臂64位于信号电极251和地电极252之间；
LNOI衬底器件层23上表面的缓冲层24为低介电常数材料，可降低微波有效折射率，如SiO2、Si3N4、Ta2O5；
一个MZI光波导单元6如图3所示，包括耦合端口61、100μm长的输入波导62、长为100μm的3dB分束器63、间隔25μm、长0.5mm的上下平行的两个波导干涉臂64、长为100μm的3dB合束器65和输出波导66，进一步的，3dB分束器63和3dB合束器65为上升余弦弯曲的Y型分支或者多模干涉耦合器或者定向耦合器；
如图1所示，所述LNOI衬底上开设深至21上表面的凹槽，所述垂直耦合端口3置于所述凹槽内；所述垂直耦合端口3包括依次连接的第一贴合段31、倾斜段32和第二贴合段33，第一贴合段31前端连接光波导结构的耦合端口61，位于器件层23上；倾斜段32由第一贴合段31倾斜向下连接至第二贴合段33，第二贴合段33下侧与支撑衬底层21相接，且倾斜段32上制备有光栅耦合器。
其中，
第一贴合段31长为100μm且一端与MZI的耦合端口61相连；倾斜段32用于耦合光栅制备，其中刻蚀深度为50～250nm，占空比为0.5，光栅周期为890nm；第二贴合段33长20μm置于支撑衬底层21之上，倾斜段32与水平方向的夹角为5～11°；
如图6所示，缓冲层24上侧设有压焊点4，压焊点4位于挖空位置边缘，用于连接VCSEL相干阵列1。
本发明提供的一种VCSEL相干阵列1与MZI阵列片上集成的光芯片结构的制备方法，包括：
步骤1、利用Talbot外腔结构在GaAs、InP或GaN的VCSEL外延片上，通过光刻、显影制作背光侧台面，接着利用湿法氧化工艺在背光侧台面中制备氧化限制孔，在氧化限制孔上侧溅射
的Ti/Au制作第一电极11，并对台面衬底60～500nm厚的SiO2做钝化处理；
步骤2、对台面衬底上制备第二电极19、蒸镀半透半反膜5并制作压焊点4；
其中，通过磨片机将台面衬底磨抛至500±20μm厚度；利用PECVD沉积SiO2对台面衬底上的出射激光片进行保护钝化；在出射激光片上溅射
的AuGeNi/Au作为第二电极19，然后在根据Talbot距离在相应位置蒸镀半透半反膜5，相干光即通过半透半反膜5出射；最后在电极外侧制作压焊点4。
步骤3、对台面衬底进行划片处理，制备VCSEL相干阵列1备用；
步骤4、在LNOI衬底的器件层23上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口3的图形转移到掩膜上，并制备出光波导结构；
其中，
在LNOI衬底的器件层23上表面溅射100～320nm厚的金属Cr作为掩膜，然后经过紫外光刻、深紫外光刻或电子束曝光以及显影、坚膜工艺将MZI阵列和垂直耦合端口3处的图形转移到Cr掩膜上；
将LNOI衬底置于质子交换炉中，以熔融的苯甲酸为质子源，通过交换温度和时间控制质子交换深度，将质子交换后的LNOI衬底清洗后置于ICP腔室，利用干法刻蚀刻蚀出光波导结构。
步骤5、在LNOI衬底上，将垂直耦合端口3中倾斜段32的耦合光栅和第二贴合段33下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
其中，
在LNOI衬底上旋涂一层光刻胶并进行坚膜，通过曝光和显影将耦合光栅及第二贴合段33附近区域的光刻胶去除；
利用硅胶对LNOI衬底四周进行保护，将LNOI衬底置于氢氟酸溶液之中，将垂直耦合端口3处倾斜段32的耦合光栅和第二贴合段33下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
采用Cr腐蚀液去除LNOI衬底上剩余的Cr金属，通过去胶液去除当前芯片上的光刻胶，并用去离子水冲LNOI衬底，使垂直耦合端口3中的第二贴合段33贴合并固定在支撑衬底层上。
步骤6、在缓冲层24上方制备信号电极251和地电极252，在垂直耦合端口3上侧边缘制备压焊点4；
其中，
利用电镀方式在缓冲层24上方制备信号电极251和地电极252，在垂直耦合端口3上侧边缘制备压焊点4。
步骤7、将VCSEL相干阵列1垂直放置在LNOI衬底上的垂直耦合端口3上方，通过压焊点4将VCSEL相干阵列1焊接在垂直耦合端口3上。
本发明的优点：
通过将出射相干光束的VCSEL相干阵列与薄膜铌酸锂上的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)阵列进行垂直耦合集成，使得VCSEL出射的相干光进入MZI阵列，然后在MZI阵列中被分成两部分，两部分经过不同程度的电光效应实现不同程度的相位调整，然后将具有不同相位的信号进行组合实现信号的相长或相消干涉，从而有效地实现整个MZI阵列的信号处理，整个芯片系统的处理速度将以光速运行。
基于Talbot效应的二维VCSEL相干阵列能够提供均匀的高功率相干光输出，利用其垂直出射的特点。
通过倒装焊工艺，能够容易的将VCSEL相干阵列与LNOI上MZI阵列通过倾斜的光栅耦合器实现片上集成，倾斜的光栅耦合器不仅降低了激光器的背反射效应、二阶反射，还提高了耦合效率，而且由于其垂直耦合的特点更加方便芯片的检测与封装。
采用的VCSEL相干阵列相较于其他III-V族边发射激光器，阈值电流低，有利于降低整体器件的功耗。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构，其特征在于：包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；
所述MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，所述LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，所述器件层制备有所述光波导结构，所述缓冲层制备有所述电极结构；
所述LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，所述垂直耦合端口置于所述凹槽内；所述垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，所述倾斜段设有光栅耦合器；
所述凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有所述VCSEL相干阵列，所述VCSEL相干阵列为底面发射结构，且发射光源位置对应所述光栅耦合器。
2.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：
所述VCSEL相干阵列设有M*N个VCSEL发光单元，M、N均大于1；
所述M*N个VCSEL发光单元设置为四方形阵列或六角形阵列；
所述VCSEL相干阵列的衬底层的厚度与四方形阵列或六角形阵列的间距以及VCSEL相干阵列的激射波长满足Talbot关系式。
3.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：所述倾斜段与水平方向的夹角为5～11°。
4.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：所述光波导结构包括顺次连接的输入波导、3dB分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB合束器和输出波导，所述输入波导上设有耦合端口，所述耦合端口连接所述第一贴合段。
5.根据权利要求4所述的光芯片结构，其特征在于：所述电极结构为共面波导结构，包括信号电极和地电极，所述信号电极位于地电极中间，所述上下平行的波导干涉臂位于所述信号电极和地电极之间。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、在VCSEL外延片上制作背光侧台面，在所述背光侧台面中制备氧化限制孔，在所述氧化限制孔上侧制备第一电极并对台面衬底做钝化处理；
步骤2、对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点；
步骤3、对台面衬底进行划片处理，制备VCSEL相干阵列备用；
步骤4、在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；
步骤5、在LNOI衬底上，将耦合端口处倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
步骤6、在缓冲层上方制备信号电极和地电极，在垂直耦合端口上侧边缘制备压焊点；
步骤7、将VCSEL相干阵列垂直放置在LNOI衬底上的垂直耦合端口上方，通过压焊点将VCSEL相干阵列焊接在所述垂直耦合端口上。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2中所述对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点，包括：
磨片机将所述台面衬底磨抛至500±20μm厚度；
利用PECVD沉积SiO2对台面衬底上的出射激光片进行保护钝化；
在所述出射激光片上溅射
的AuGeNi/Au作为第二电极，然后再根据Talbot距离在相应位置蒸镀半透半反膜；
在电极外侧制作压焊点。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；包括：
在LNOI衬底的器件层上表面溅射100～320nm厚的金属Cr作为掩膜，然后经过紫外光刻、深紫外光刻或电子束曝光以及显影、坚膜工艺将MZI阵列和垂直耦合端口处的图形转移到Cr掩膜上；
将LNOI衬底置于质子交换炉中，以熔融的苯甲酸为质子源，通过交换温度和时间控制质子交换深度，将质子交换后的LNOI衬底清洗后置于ICP腔室，利用干法刻蚀刻蚀出光波导结构。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤5中，所述在LNOI衬底上，将垂直耦合端口中倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；包括：
在LNOI衬底上旋涂一层光刻胶并进行坚膜，通过曝光和显影将耦合光栅及第二贴合段附近区域的光刻胶去除；
利用氟脂、硅脂或石蜡对LNOI衬底四周进行保护，将LNOI衬底置于氢氟酸溶液之中，将垂直耦合端口处倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；
采用Cr腐蚀液去除LNOI衬底上剩余的Cr金属，通过去胶液去除当前芯片上的光刻胶，并用去离子水冲LNOI衬底，使垂直耦合端口中的第二贴合段贴合并固定在支撑衬底层上。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤6中，利用电镀方式在缓冲层上方制备信号电极和地电极，在垂直耦合端口上侧边缘制备压焊点。
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