CN115308834B - 集成光收发芯片、光电子器件和光收发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种集成光收发芯片、光电子器件和光收发系统，该芯片包括硅衬底，设置在硅衬底上的二氧化硅层、III‑V族激光器、锗光电探测器，以及设置在二氧化硅层上的铌酸锂薄膜波导器件；铌酸锂薄膜波导器件包括第一分束耦合区、电光调制区和第二分束耦合区；第一分束耦合区分别连接III‑V族激光器和电光调制区；第二分束耦合区分别设置于第一分束耦合区与电光调制区的一侧；锗光电探测器连接第二分束耦合区的合束端，用于接收合束光信号。本发明将具有激光器、分束耦合器、调制器、探测器的功能芯片进行芯片级集成，实现片上混合集成，能够在减小体积、降低功耗和成本同时，满足芯片高度集成的性能需求。
Description
技术领域
本发明涉及光电芯片集成领域，尤其涉及一种集成光收发芯片、光电子器件和光收发系统。
背景技术
光收发系统主要由激光器、调制器、探测器等光电子器件组成，利用激光器、调制器将电信号转为光信号，由探测器将光信号转为电信号，广泛用于光纤通信、光纤传感、微波光子等领域。现有的光收发系统大多采用激光器、调制器、探测器等分立器件结构实现，存在体积大、重量重、插损高、稳定性差等方面问题。随着光纤通信、光纤传感、微波光子等系统向宽带、大容量、低功耗等方向发展，要求光收发系统具有高性能同时还需满足小型化、低功耗、阵列化等要求，芯片化、集成化成为光收发系统的必然选择。
目前光电芯片集成可以通过单片集成或混合集成技术实现。在现有单片集成技术中，最为成熟的是硅单片集成技术和磷化铟单片集成技术。然而这两种材料平台的缺陷在于：硅基单片集成难以集成光源等有源器件，且硅基调制器调制性能差，难以实现大带宽和高消光比；磷化铟存在损耗大、调制速率受限等问题。因此，光收发系统集成度不足，各个功能部件，如光源、调制器、光电探测器等，所基于材料各有不同，实现单片集成光收发系统难度大。
发明内容
第一方面，本发明提供一种集成光收发芯片，包括硅衬底，设置在所述硅衬底上的二氧化硅层、III-V族激光器、锗光电探测器，以及设置在所述二氧化硅层上的铌酸锂薄膜波导器件；
所述铌酸锂薄膜波导器件包括第一分束耦合区、电光调制区和第二分束耦合区；
所述第一分束耦合区分别连接所述III-V族激光器和所述电光调制区，用于将所述III-V族激光器输出的激光进行分束；所述电光调制区用于对分束后的激光进行调制并输出至外部的光纤传感系统；
所述第二分束耦合区分别设置于所述第一分束耦合区与所述电光调制区的一侧，用于对经过所述光纤传感系统返回的光信号进行合束，输出合束光信号；
所述锗光电探测器连接所述第二分束耦合区的合束端，用于接收所述合束光信号。
在可选的实施方式中，所述第一分束耦合区包括第一模斑转换器和1×N光分束器；其中，N为自然数，N≥2；
所述电光调制区包括N个铌酸锂薄膜波导调制器和N个输出模斑转换器；
所述N个铌酸锂薄膜波导调制器分别与所述的1×N光分束器的N个输出端依次相连。
在可选的实施方式中，所述第二分束耦合区包括依次连接的N个输入模斑转换器、N×1合束器和第二模斑转换器；
所述第二模斑转换器用于所述锗光电探测器的锗波导与所述铌酸锂薄膜波导器件之间的光模场变换，以使得光模场匹配和耦合；
所述N个输入模斑转换器和所述N个输出模斑转换器的结构相同，各个所述输入模斑转换器和各个所述输出模斑转换器之间的间隔相等。
在可选的实施方式中，所述锗光电探测器为采用PIN结构的锗波导型光电探测器；
所述第一模斑转换器、所述输入模斑转换器、所述输出模斑转换器、所述第二模斑转换器分别采用铌酸锂薄膜楔形变换波导结构。
在可选的实施方式中，所述锗光电探测器与所述硅衬底之间设置一缓冲层，用于通过调整所述缓冲层的厚度，以使得所述锗光电探测器与所述第二模斑转换器的波导对准；
所述缓冲层的材质选用硅材料或锗材料。
在可选的实施方式中，所述III-V族激光器采用BCB键合方式集成设置于所述硅衬底上；
所述III-V族激光器选用端面出光的窄线宽激光器。
在可选的实施方式中，所述二氧化硅层的厚度范围为1μm-4μm；
所述铌酸锂薄膜波导器件的厚度范围为400nm-600nm。
在可选的实施方式中，所述1×N光分束器和所述N×1光合束器分别采用多模干涉自影像结构；
所述铌酸锂薄膜波导调制器选用直波导相位调制器或马赫-曾德干涉仪强度调制器或微环强度调制器。
第二方面，本发明提供一种光电子器件，包括如前述的集成光收发芯片。
第三方面，本发明提供一种光收发系统，包括如前述的光电子器件，所述光电子器件用于进行光信号的发射和接收。
本发明实施例具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的集成光收发芯片，包括硅衬底，设置在硅衬底上的二氧化硅层、III-V族激光器、锗光电探测器，以及设置在二氧化硅层上的铌酸锂薄膜波导器件。本实施例通过将具有光发射、调制、探测等多功能的芯片(III-V族激光器、锗光电探测器等)进行片上混合集成，能够在减小体积、降低功耗和成本同时，满足性能需求，本实施例不仅克服了独立器件连接导致系统体积大、成本高等缺点，同时发挥了III-V族材料、铌酸锂薄膜材料以及硅基锗材料的各自优势，最终生成一高度集成且性能优异的多通道的集成光收发芯片。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
图1示出了本发明实施例中集成光收发芯片的芯片结构的俯视示意图；
图2a示出了本发明实施例中集成光收发芯片的芯片结构的一个截面示意图；
图2b示出了本发明实施例中集成光收发芯片的芯片结构的另一个截面示意图；
图3示出了本发明实施例中集成光收发芯片的铌酸锂薄膜波导器件的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中光收发系统的结构示意图；
图5a示出了本发明实施例中直波导相位调制器的结构示意图；
图5b示出了本发明实施例中马赫-曾德干涉仪调制器的结构示意图；
图5c示出了本发明实施例中微环调制器的结构示意图。
主要元件符号说明：10-硅衬底；20-二氧化硅层；30-铌酸锂薄膜波导器件；31-第一分束耦合区；32-电光调制区；33-第二分束耦合区；311-第一模斑转换器；312-1×N光分束器；321-铌酸锂薄膜波导调制器；322-输出模斑转换器；331-输入模斑转换器；332-N×1合束器；333-第二模斑转换器；40-III-V族激光器；41-磷化铟衬底；42-III-V族材料层；50-锗光电探测器；51-缓冲层；52-锗有源层；60-BCB胶层；3211-直波导；3212-直波导调制电极；3213-马赫-曾德干涉仪波导；3214-MZ调制电极；3215-微环谐振器；3216-环形调制电极；70-光纤阵列；80-光纤传感系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
目前，光电芯片集成可以通过单片集成或混合集成技术实现，而现有的单片集成技术中，其芯片的集成度不足，各个功能部件，如光源、调制器、探测器等，由于所基于的材料各有不同，实现单片集成以形成对应的光收发系统的难度较大；而混合集成可通过使用不同的材料集成不同的光电子器件，发挥各种材料的优势，进而可通过利用铌酸锂材料优异的电光性能，磷化铟材料的直接带隙特性、以及硅基CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺兼容优势，具有提升器件阵列化、集成化和综合性能的潜力，使得单个芯片集成光源、耦合器、调制器、探测器成为可能。基于此，本实施例提供一种集成光收发芯片，下面对该集成光收发芯片进行详细说明。
一并参考图1、图2a和图2b，本实施例所提供的集成光收发芯片，包括硅衬底10，设置在硅衬底10上的二氧化硅层20、III-V族激光器40、锗光电探测器50，以及设置在二氧化硅层上的铌酸锂薄膜波导器件30。本实施例中通过采用外延生长方式将二氧化硅层20集成设置在硅衬底10上，其中，二氧化硅层20的厚度范围为1μm-4μm。
本实施例中，铌酸锂薄膜波导器件30设置在二氧化硅层20上。具体地，在二氧化硅层20上先通过采用晶圆级直接键合的键合方式在二氧化硅层20上形成一铌酸锂薄膜，而后将该铌酸锂薄膜通过半导体加工方式制作得到铌酸锂薄膜波导器件30，也即是，在二氧化硅层20上采用半导体加工手段将铌酸锂薄膜加工成脊型波导结构，以形成铌酸锂薄膜波导器件。其中，半导体加工手段包括但不限于光刻、镀膜、刻蚀等半导体加工方式，典型工序主要包括刻蚀阻挡层掩膜制备、铌酸锂薄膜波导干法刻蚀、二氧化硅上包层制备以及金属电极制备等。可选的，铌酸锂薄膜波导器件30的厚度范围为400nm-600nm。
二氧化硅层20作为铌酸锂薄膜波导器件30的波导下包层，用于将铌酸锂薄膜波导器件30输出的光限制在铌酸锂薄膜中。
本实施例中的III-V族激光器40用于发射光信号。另外，由于III-V族激光器40难以直接在硅衬底10上直接生长，因此，在本实施例中，先在磷化铟衬底41(InP衬底)上采用外延生长工艺生长III-V族材料层42后，再通过半导体加工方式对III-V族材料层42加工制作得到III-V族激光器40，然后采用BCB胶层60的键合方式(BCB键合方式)将III-V族激光器40集成设置在硅衬底10上。例如，III-V族激光器40选用端面出光的窄线宽激光器。
本实施例通过采用选区外延生长工艺在硅衬底10上形成锗有源层52，并通过半导体加工方式制作得到锗光电探测器50，例如，锗光电探测器50选用PIN结构的锗波导型光电探测器。锗光电探测器50与铌酸锂薄膜波导器件30连接，用于接收铌酸锂薄膜波导器件30输出的光信号。
可以理解，该集成光收发芯片上，III-V族激光器40用于发射光信号，铌酸锂薄膜波导器件30用于将发射的光信号对应进行分束、耦合、调制处理后，输出合束光，并将输出的合束光限制在铌酸锂薄膜中，实现光信号的收集；锗光电探测器50用于对合束光进行探测。
进而，本实施例通过将分立的激光器、探测器等进行芯片的混合集成，从而实现了多通道发射、探测等功能的片上集成，有效提高光收发性能；而后，将III-V族激光器采用BCB键合方式混合集成，硅基锗光电探测器采用选区外延、半导体加工方式与铌酸锂薄膜波导器件对接集成，最大化发挥III-V族材料以及硅基锗材料的各自优势，实现芯片的高度集成。
示范性地，如图3和图4所示，本实施例中的铌酸锂薄膜波导器件30包括第一分束耦合区31、电光调制区32和第二分束耦合区33。
第一分束耦合区31分别连接III-V族激光器40和电光调制区32，用于对III-V族激光器40输出的激光进行分束；电光调制区32用于对分束后的激光进行调制，并输出到外部的光纤传感系统80中，实现多通道光发射功能。
示范性地，第一分束耦合区31包括第一模斑转换器311和1×N光分束器312；其中，N为自然数，N≥2，用于将经过第一模斑转换器311的输入光平均分成N束。可选的，1×N光分束器312可采用多模干涉自影像(MMI)结构。
电光调制区32包括N个铌酸锂薄膜波导调制器321和N个输出模斑转换器322；其中，N个铌酸锂薄膜波导调制器321分别与1×N光分束器312的N个输出端依次相连。
第一分束耦合区31中的第一模斑转换器311用于III-V族激光器40与铌酸锂薄膜波导器件30之间的光模场变换，以实现光模场的匹配和耦合。由于III-V族激光器40是通过BCB胶层60的键合方式集成设置在硅衬底10上，其BCB胶层60的厚度可根据实际情况进行调整，在此不做限定，通过调节该BCB胶层60的厚度可使得III-V族激光器40与第一模斑转换器311的波导对准。
第二分束耦合区33分别平行设置于第一分束耦合区31与电光调制区32的一侧，用于将经过外部的光纤传感系统80传输后返回的光信号进行合束；可选的，该返回的光信号可携带有待测传感信息。
锗光电探测器50与第二分束耦合区33的合束端连接，用于接收第二分束耦合区所输出的合束光信号，实现多通道光接收探测功能。
第二分束耦合区33包括依次连接的N个输入模斑转换器331、N×1合束器332和第二模斑转换器333；输入模斑转换器331和输出模斑转换器322的结构相同，且各个输入模斑转换器331之间的间隔和各个输出模斑转换器322之间的间隔相等。
输入模斑转换器331和输出模斑转换器322分别与外部的光纤阵列70进行耦合连接，用于铌酸锂薄膜波导器件30与外部光纤阵列70之间的光模场变换，以实现光模场的匹配和耦合；其中，外部光纤阵列70中光纤数量为2N个，N×1合束器332可采用多模干涉自影像(MMI)结构，用于将N路光合为一路。
第二模斑转换器333用于锗光电探测器50的锗波导与铌酸锂薄膜波导器件30波导之间的光模场变换，以实现光模场的匹配和耦合。
锗光电探测器50与硅衬底10之间可设置一缓冲层；具体地，锗光电探测器50所对应的锗有源层52与硅衬底10之间设置一缓冲层51，本实施例可通过调整缓冲层51的厚度，使得锗光电探测器50的锗有源层52与第二模斑转换器333的波导对准。其中，缓冲层51的材质选用硅材料或锗材料，即该缓冲层51为硅材料层或锗材料层，本实施例可通过采用外延生长方式在硅衬底10上制作得到一缓冲层51。
本实施例可以根据片上光收发芯片系统的调制格式需求，进行不同调制格式的片上调制器集成。具体地，参见图5a、图5b和5c，本实施例中的铌酸锂薄膜波导调制器321可以选用直波导3211相位调制器或马赫-曾德干涉仪强度调制器或微环强度调制器。其中，直波导3211相位调制器包括直波导3211和直波导调制电极3212，可以实现对光信号的相位调制；马赫-曾德干涉仪强度调制器包括马赫-曾德干涉仪波导3213和MZ调制电极3214，可以实现对光信号的强度调制，具有半波电压低、带宽大、消光比大等优势；微环强度调制器包括微环谐振器3215和环形调制电极3216，可以实现对光信号的强度调制的同时，有效缩小调制器的器件尺寸。上述的三种调制器可根据所需调制要求进行选择相应调制结构，并可根据实际情况选取其中任意一种调制器作为铌酸锂薄膜波导调制器321。
可选的，本实施例中的第一模斑转换器311、输入模斑转换器331、输出模斑转换器322、第二模斑转换器333均采用铌酸锂薄膜楔形变换波导结构，并可依据与铌酸锂薄膜波导连接的芯片(如III-V族激光器芯片、锗光电探测器芯片等)或光纤的光模场情况，分别进行设计，实现高效耦合，也即是，为达到较好的耦合效率，第一模斑转换器311、输入模斑转换器331、输出模斑转换器322、第二模斑转换器333均可以通过制作铌酸锂薄膜楔形变换结构实现光模场匹配。
本发明实施例还提供了一种光电子器件，包括上述的集成光收发芯片。
本发明实施例还提供了一种光收发系统，如图4所示，该光收发系统包括上述的光电子器件，该光电子器件用于进行光信号的发射和接收。
本发明实施例第一方面，将分立的光学元件(如激光器、分束耦合器、调制器、探测器)进行芯片级集成，实现了多通道发射、传输、调制、探测等功能的片上集成，有效提高光收发系统性能，减小系统体积和重量；第二方面，利用铌酸锂薄膜光子器件的小尺寸、高电光系数、低损耗等特性，在铌酸锂薄膜上实现分束、耦合、调制等多功能单片集成，消除了上述芯片间耦合损耗，提高芯片性能；第三方面，将III-V族激光器采用BCB键合方式混合集成，硅基锗光电探测器采用选区外延、半导体加工方式与铌酸锂薄膜波导器件对接集成，最大化发挥III-V族材料、铌酸锂薄膜材料以及硅基锗材料的各自优势，从而实现高度集成性能优异的光收发芯片。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种集成光收发芯片，其特征在于，包括硅衬底，设置在所述硅衬底上的二氧化硅层、III-V族激光器、锗光电探测器，以及设置在所述二氧化硅层上的铌酸锂薄膜波导器件；其中，采用外延生成方式将所述二氧化硅层集成设置在所述硅衬底上，采用晶圆级直接键合的键合方式在所述二氧化硅层上形成一铌酸锂薄膜，对所述铌酸锂薄膜通过半导体加工方式制作得到所述铌酸锂薄膜波导器件；采用BCB胶层的键合方式将所述III-V族激光器集成设置在所述硅衬底上，其中，所述III-V族激光器由在磷化铟衬底上采用外延生长工艺生长III-V族材料层后，对所述III-V族材料层采用半导体加工方式加工制作得到；所述锗光电探测器由采用选区外延生长工艺在所述硅衬底上形成锗有源层后，通过半导体加工方式制作得到；
所述铌酸锂薄膜波导器件包括第一分束耦合区、电光调制区和第二分束耦合区；
所述第一分束耦合区分别连接所述III-V族激光器和所述电光调制区，用于将所述III-V族激光器输出的激光进行分束；所述电光调制区用于对分束后的激光进行调制并输出至外部的光纤传感系统；其中，所述第一分束耦合区包括第一模斑转换器和1×N光分束器；其中，N为自然数，N≥2；
所述电光调制区包括N个铌酸锂薄膜波导调制器和N个输出模斑转换器；
所述N个铌酸锂薄膜波导调制器分别与所述的1×N光分束器的N个输出端依次相连；
所述第二分束耦合区分别设置于所述第一分束耦合区与所述电光调制区的一侧，用于对经过所述光纤传感系统返回的光信号进行合束，输出合束光信号；其中，所述第二分束耦合区包括依次连接的N个输入模斑转换器、N×1光合束器和第二模斑转换器；
所述第二模斑转换器用于所述锗光电探测器的锗波导与所述铌酸锂薄膜波导器件之间的光模场变换，以使得光模场匹配和耦合；
所述N个输入模斑转换器和所述N个输出模斑转换器的结构相同，各个所述输入模斑转换器和各个所述输出模斑转换器之间的间隔相等；
所述锗光电探测器连接所述第二分束耦合区的合束端，用于接收所述合束光信号。
2.根据权利要求1所述的集成光收发芯片，其特征在于，所述锗光电探测器为采用PIN结构的锗波导型光电探测器；
所述第一模斑转换器、所述输入模斑转换器、所述输出模斑转换器、所述第二模斑转换器分别采用铌酸锂薄膜楔形变换波导结构。
3.根据权利要求1所述的集成光收发芯片，其特征在于，所述锗光电探测器与所述硅衬底之间设置一缓冲层，用于通过调整所述缓冲层的厚度，以使得所述锗光电探测器与所述第二模斑转换器的波导对准；
所述缓冲层的材质选用硅材料或锗材料。
4.根据权利要求1所述的集成光收发芯片，其特征在于，所述III-V族激光器采用BCB键合方式集成设置于所述硅衬底上；
所述III-V族激光器选用端面出光的窄线宽激光器。
5.根据权利要求1所述的集成光收发芯片，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度范围为1μm-4μm；
所述铌酸锂薄膜波导器件的厚度范围为400nm-600nm。
6.根据权利要求1所述的集成光收发芯片，其特征在于，所述1×N光分束器和所述N×1光合束器分别采用多模干涉自影像结构；
所述铌酸锂薄膜波导调制器选用直波导相位调制器或马赫-曾德干涉仪强度调制器或微环强度调制器。
7.一种光电子器件，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的集成光收发芯片。
8.一种光收发系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的光电子器件，所述光电子器件用于进行光信号的发射和接收。
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