CN113036594B - 一种硅基光电芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种硅基光电芯片，将激光机构、激光耦合器、光调制器、光波导、光调制器驱动电路、控制电路集成于同一硅基半导体材料中，实现光电芯片单片集成，能够优化光收发性能、减小封装尺寸。为了进一步优化单片集成硅基光电芯片的性能，进一步将激光机构内的光波导层进行优化，采用缓冲光波导层，作为激光机构发光部分三五族化合物层与硅基衬底直接的晶格匹配缓冲带，以增加激光机构的寿命。针对性解决散热问题，可以将缓冲光波导层设计为散热材料或者在缓冲光波导层中增加散热层，以提高硅基光电芯片的散热能力。

Description

一种硅基光电芯片

技术领域

本发明涉及单片光电集成通信技术领域，主要用于模拟信号、数字信号通信，具体的涉及一种硅基光电芯片。

背景技术

目前，大多数商用的光收发器件是由光探测器、放大器、以及激光器、调制器、调制器驱动、控制电路芯片等分立器件混合封装制造而成。大部分的光探测器、激光器采用化合物工艺制造，如光探测器采用InGaAs材料、激光器采用InP材料等。相对地，放大器、调制器等采用传统的CMOS工艺制造。封装时，通常利用金属线键合的方式来实现各分立器件的通信连接，这种互联方式必然出现较大的寄生效应，影响光收发机性能。同时，采用不同工艺制造的分立器件封装工艺复杂，集成后的器件体积大，不能适应产品小型化的市场发展趋势。并且，化合物工艺制造芯片成本高昂，尤其是在多信道通信应用场景下，成本问题愈发凸显。

CN101485055B公开了一种具有集成调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的发射器-接收器，在单个半导体材料层中提供多个调制器、光波导，同时键合三五族激光器、三五族光检测器，有效提高了收发器件的集成度。每个传输信道不再分别使用单独的激光器和调制器，也可以降低一部分成本。但是依然采用三五族化合物材料的光检测器，成本控制程度有限。特别是，采用键合方式实现光检测器与单个半导体材料条的通信，即可以理解为，光检测器与放大器（特别是前置放大器）的通信方式依然采用传统金属线键合，并不能解决传统分立器件封装存在的寄生效应、封装体积过大等问题，接收性能无法得到有效提高。

发明内容

本发明提供一种硅基光电芯片，可以有效提升优化光收发性能、减小封装尺寸、降低使用成本。

本发明提供一种硅基光电芯片，包括：设置在同一硅基半导体材料空间中的激光机构、激光耦合器、光调制器、第一光波导、控制电路、光调制器驱动电路，所述激光机构出光端口与激光耦合器输入端口耦合，所述激光耦合器输出端口与所述光调制器输入端口耦合，所述控制电路与所述光调制器、激光机构电连接，所述光调制器输出端口与所述第一光波导耦合，调制后的光经光波导耦合到外部透镜，所述光调制器驱动电路与光调制器电连接。硅基单片集成激光机构与调制器，可以有效缩小线宽、提高集成度，同时因为与成熟CMOS工艺兼容，能够降低制造成本。

所述光调制器为MZM或微环型调制器中的一种。

还包括设置在同一硅基半导体材料空间中的光探测器、放大器、第二光波导，所述光探测器经所述第二光波导与外部光传输单元耦合，所述放大器与所述光探测器电连接。

还包括定向耦合器，所述定向耦合器上行光路与所述第一光波导耦合、下行光路与第二光波导耦合。

还包括设置在同一硅基半导体材料空间的温度检测模块，用于控制芯片温度。

还包括设置于同一硅基半导体材料空间的波长选择光栅、透镜，所述波长选择光栅与所述透镜耦合并经透镜连接外部光传输单元，所述第一光波导与所述波长选择光栅耦合。

单片集成激光机构的集成系统中，由于目前硅本身的材料特性限制，暂时无法实现稳定发光的硅激光器，只能选择目前较为成熟的三五族化合物材料作为激光机构的增益介质，而硅晶格参数与三五族化合物材料的晶格参数不匹配，导致在硅衬底上直接键合三五族化合物激光介质工艺较难实现，并且直接键合后，由于晶格的不匹配依然存在，激光机构的寿命也较短，限制了单片集成芯片的实用时间。

在硅光集成系统中，随着集成元件数量的增加，系统的热量积累进一步增加，系统的散热性能面临着较大的挑战。特别是单片集成硅光芯片的光路端口均设置在芯片边缘，硅光波导的尺寸较大，大尺寸的光路端口将限制芯片内部热量及时向芯片外部传导。光学元件对热量较为敏感，尤其是集成激光器之后，芯片内部的温度变化会直接影响激光器出光波长。

为了解决上述问题，本专利进一步提出了改进方案，将激光机构进行改进，激光机构传统的光波导层替换为缓冲光波导层，一方面可以替代光波导层，将光导出激光机构，另一方面可以解决三五族激光介质与硅衬底晶格位错的问题，延长集成硅基激光机构的寿命。如果进一步在缓冲光波导层内设置散热层，可以提高集成硅基光电芯片的散热效率。

缓冲光波导层较为简单的方案是，在硅衬底上设置一层单一材质的缓冲光波导层，将发光结构键合或者粘合在缓冲光波导层上。为了增加缓冲光波导层与硅衬底之间的结合力，还可以在缓冲光波导层与硅衬底之间增加粘合层，如BCB（苯并环）层。

单一材质的缓冲光波导层可以选择与硅同族且平整度与透光度都较优的石墨烯层。石墨烯是碳六元环组成的周期蜂窝状点阵结构，其内部的碳原子之间连接非常柔韧，当有外力施加于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，碳原子不必重新排列来适应外力，并不产生晶格破坏，即可以保持结构稳定。

在一些应用场景，可以将缓冲光波导层设置为多层结构，可以包括散热层、硅层、二氧化硅层。散热层可以采用石墨烯层，直接设置于硅衬底上。

附图说明

图1是根据本发明的构思示出的实施例1中的硅基光电芯片的结构示意图

图2是根据本发明的构思示出的实施例2中的硅基光电芯片的结构示意图

图3是根据本发明的构思示出的实施例3中的硅基光电芯片的结构示意图

图4为根据本发明的构思示出的实施例4的激光机构示意图

图5为根据本发明的构思示出的实施例5的激光机构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种硅基光电芯片，将激光器、光调制器103集成于同一硅基半导体材料层101中，控制电路、激光耦合器、光调制器驱动电路也同样的集成在激光器的同一硅基半导体材料层中。控制电路为激光器、光调制器提供偏置电压，使其保持在一定的工作状态，光调制器驱动电路提供光调制器103的射频信号，提供不同信号时，应当理解为可以根据本发明的构思，配套不同的信号转化模块。例如在一个实施例中，光调制器驱动电路提供数字信号时，相应地增加ADC模块。

激光器发射的光束经激光耦合器耦合到光调制器103中，光调制器103的两臂将光束按一定比例分为光束一、光束二，光束一与光束二经调制后，合束再经第一波导102耦合到外部传输单元，如透镜或/和光适配器或光纤。

在本实施例的一个扩展实施例中，激光器的数量可以是至少2个，例如可以是3个或者4个激光器，组成激光器阵列。多个激光器方案主要应用在可调光传输领域，可以根据通信要求选择激光器发射波长，适应性更广，具有多场景应用特性。

激光器、光调制器等集成的同一硅基半导体材料层101，可以选择硅上外延生长三五族半导体材料，例如在一个实施例中，硅上外延生长InP材料，增益介质为InP。主要由于硅为间接带隙材料，全硅材料难以激发光子，或者发光效率较低，可以优先选择片上生长三五族半导体的方案。

本实施例的一个延伸方案，可以选择采用硅掺杂金属化硅材料作为有源区，金属化硅能够匹配硅材料的晶型，能够有效避免InP材料的晶型与Si晶型失配导致的激光器性能、寿命降低的问题。

实施例二：

如图2所示，激光器、MZI光调制器203、光波导202、透镜204集成于同一硅基半导体材料层201中，该硅基半导体材料为绝缘体上硅，透镜与光波导202耦合，将调制后光束导入外部光适配器或光纤。控制电路与MZI光调制器203、激光器经金属电极连接，控制电路为MZI光调制器203提供一反偏电压，以保证其工作环境。激光耦合器输入端口、输出端口分别与激光器输出端口、MZI光调制器203输入端口耦合，形成光传输通路，将激光器发射的光耦合到光调制器203，调制后的信号光经透镜204输出到外部传输单元。

本实施例中，可以选择增加温控模块，以控制激光器的工作温度，保证其性能。

实施例三

如图3所示，同一硅基半导体材料层301中集成了激光器、光调制器303、光探测器、放大器304。特别地，还在同一硅基半导体材料层301中集成了定向耦合器，由光调制器303输出的信号光束经定向耦合器上行光路输出到透镜、光适配器或光纤。定向耦合器下行光路用于接收透镜传输的光信号，光信号经定向耦合器下行光路传输至光探测器，由光信号转化为电信号，经电路传输至放大器304，放大器304将电信号放大，再传输至后续处理单元。

光调制器驱动电路同时集成在同一硅基半导体材料层中，用于控制光调制器303承载的光束的相位或/和幅度。控制电路与光调制器303、激光器经电路连接，用于控制/监测光调制器、激光器工作状态。

在一个实施例中，还可以增加温度检测模块，同时集成温度控制模块，用于检测芯片工作温度，当芯片温度高于/低于设定温度时，保持芯片工作温度稳定。

实施例四

本实施例的激光机构可以应用于实施例一、二、三以及其他的基于本发明构思的光电芯片，如图4所示，激光机构包括硅衬底，设置于硅衬底上的第一缓冲光波导层404，第一缓冲光波导层404与第二磷化铟层403键合，增益介质层402设置于第二磷化铟层403之上，第一磷化铟层401设置于增益介质层402之上。第一磷化铟层401可以是P型掺杂磷化铟，第二磷化铟层403可以是N型掺杂磷化铟，用于激光机构对外接电。

第一缓冲光波导层404外包覆硅层405，硅层405与硅衬底共同限制传输光于第一缓冲光波导层404内。

第一缓冲光波导层404材质选用应考虑折射率、与硅晶格参数的匹配。在一些应用场合，可以选用石墨烯结构，石墨烯可以用PECVD的方式直接生长于硅衬底上。单一材质的缓冲光波导层可以选择与硅同族且平整度与透光度都较优的石墨烯层。石墨烯是碳六元环组成的周期蜂窝状点阵结构，其内部的碳原子之间连接非常柔韧，当有外力施加于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，碳原子不必重新排列来适应外力，并不产生晶格破坏，即可以保持结构稳定。为了增加第一缓冲光波导层404与硅衬底之间的结合力，可以在其与硅衬底之间涂覆BCB（苯并环）层，BCB具有牢固的键合效果，且热稳定性好，对半导体材料具有较高的惰性，非常适合用于半导体材料的粘合。

实施例五

本实施例的激光机构可以应用于实施例一、二、三以及其他的基于本发明构思的光电芯片，如图5所示，硅衬底上依次集成了石墨烯层504、硅层507、二氧化硅层506、N型掺杂磷化铟层503、P型掺杂磷化铟层501、增益介质层502、以及粘合层505。粘合层可以选择具有较强粘结能力的高分子聚合物，例如可以是环氧树脂。

P型掺杂磷化铟层501、N型掺杂磷化铟层503用于外接电极，为激光机构提供电能，以实现增益介质层502的受激发光。

石墨烯层504与硅衬底之间通过键合力结合，也可以增加粘结层，石墨烯导热性良好，能够迅速实现热量的分散，用于稳定激光机构内的温度。

二氧化硅层506将增益介质层502发出的光导出，其结构可以设计为倒锥形结构。在其外部包覆硅层507，用于限制光路径。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。

Claims (9)

1.一种硅基光电芯片，其特征在于，包括：设置在同一硅基半导体材料空间中的激光机构、激光耦合器、光调制器、第一光波导、控制电路、光调制器驱动电路，所述激光机构出光端口与激光耦合器输入端口耦合，所述激光耦合器输出端口与所述光调制器输入端口耦合，所述光调制器输出端口与所述第一光波导耦合，所述光调制器驱动电路与光调制器电连接，所述控制电路与所述光调制器、激光机构电连接；所述激光机构包括硅衬底层，设置于所述硅衬底层上的缓冲光波导层，第一掺杂三五族化合物层，增益介质层，第二掺杂三五族化合物层；所述缓冲光波导层外包覆第一硅层，所述第一硅层与所述硅衬底层共同限制传输光于所述缓冲光波导层内；所述第一硅层与第一掺杂三五族化合物层、增益介质层、第二掺杂三五族化合物层一侧端面邻接，用于所述增益介质层与所述缓冲光波导层的光路耦合；所述第一掺杂三五族化合物层、第二掺杂三五族化合物层设置于所述增益介质层两侧的不同水平面上，用于外接电源；所述第一掺杂三五族化合物层与所述缓冲光波导层键合和/或粘合。

2.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：所述光调制器为MZM或微环型调制器。

3.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：还包括设置在同一硅基半导体材料空间中的光探测器、放大器、第二光波导，所述光探测器经所述第二光波导与外部光传输单元耦合，所述放大器与所述光探测器电连接。

4.根据权利要求3所述的硅基光电芯片，其特征在于：还包括定向耦合器，所述定向耦合器上行光路与所述第一光波导耦合、下行光路与第二光波导耦合。

5.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：还包括设置在同一硅基半导体材料空间的温度检测模块，用于控制芯片温度。

6.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：还包括设置于同一硅基半导体材料空间的波长选择光栅、透镜，所述波长选择光栅与所述透镜耦合并经透镜连接外部光传输单元，所述第一光波导与所述波长选择光栅耦合。

7.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：所述缓冲光波导层包括二氧化硅层、第二硅层、散热层，所述二氧化硅层设置于所述第二硅层一侧平面上，所述散热层设置于所述第二硅层另一侧平面上，所述散热层与所述硅衬底层接触。

8.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：所述缓冲光波导层为石墨烯结构，所述第一掺杂三五族化合物层、第二掺杂三五族化合物层均替换为硅掺杂金属化硅层。

9.根据权利要求1所述的硅基光电芯片，其特征在于：所述缓冲光波导层与所述硅衬底层之间设置BCB层。

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