CN115598767A - 一种cwdm光发送芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CWDM光发送芯片，包括：SiNx光栅耦合器、SiNx模斑转换器、波导转换器、SiNx‑薄膜铌酸锂电光调制器、SiNx‑薄膜铌酸锂波导器件、SiNx‑薄膜铌酸锂CWDM波分复用器，其特征在于，SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层，形成SiNx波导器件层，薄膜铌酸锂直接键合在SiNx波导器件层上，SiNx波导器件层用于刻蚀SiNx‑薄膜铌酸锂波导器件，SiNx波导器件层上依次覆盖二氧化硅薄膜层与薄膜铌酸锂层；本发明利用薄膜铌酸锂材料的电光调制特性，采用倒脊形波导结构，能够实现高速电光调制，将波分复用与电光调制集成，实现了高速率、大容量的信号传输。

Description

一种CWDM光发送芯片
技术领域
本发明涉及硅基光电子学领域，尤其涉及一种CWDM光发送芯片。
背景技术
随着大数据和互联网的发展，对数据中心和高性能计算的需求不断增加。然而传统的电互连受到带宽和功耗的限制，难以满足日益增长的容量需求。高容量、可靠和低成本的光数据链路的需求推动了光子集成电路的发展，由分立光学元件组成的传统收发器件单通道传输速率通常为50-100Gbit/s。随着数据容量的不断增长，单个调制器的性能难以满足应用需求，因此将调制器与复用技术相结合是应对未来数据容量增长的很有前景的方案。光模块是光纤通信系统的核心器件之一，是光通信设备最重要的组成部分，主要作用是实现光电转换，是光世界与电世界的互连通道。
光发送芯片是光模块的重要组成部分，内部集成了光耦合器件、电光调制器、波分复用器和其他无源器件等。目前硅基光收发芯片技术已经比较成熟并开始商用，但由于硅基光栅耦合器带宽小，硅基电光调制器调制带宽受限，难以实现更高速的传输系统。铌酸锂材料有着更低的传播损耗、超高的带宽，能实现高数据速率传输，受到科研人员的青睐，然而薄膜铌酸锂材料具有稳定的化学性质，常用的化学刻蚀方法无法形成低损耗波导，目前有关薄膜铌酸锂的光收发芯片还处于研究阶段。
现有技术方案：
在申请号：202010245273.8的专利文件中，提供了一种异质集成CWDM4光发射芯片，包括：激光器、电光调制器、波分复用器，所述光发射芯片的激光器键合在衬底上，采用端面耦合的方式与芯片对准，所述衬底上有二氧化硅层，所述二氧化硅层上有硅层。所述电光调制器包括波导合路器、波导分路器和硅波导相移臂。其中波导合路器和波导分路器均设置在二氧化硅层内，硅波导相移臂设置在硅层上。所述波分复用器件设置在二氧化硅层内。整个异质集成的CWDM4光发射芯片具有较小的传输损耗，同时二氧化硅波导与单模光纤模场失配小，在光发射芯片的出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合。
由于其所设计的异质集成CWDM光发射芯片设计在由衬底、二氧化硅层和硅层构成的三层结构上，电光调制的性能始终受到硅材料的限制。
在DOI号为10.1002/adpr.202200121的论文中，提供了一种基于绝缘体混合平台的氮化硅和铌酸锂单片光子集成电路，包括：光耦合器件、环形谐振调制器、模分复用器，是第一次在Si3N4-LNOI混合平台上演示由高速电光调制器和(解)多路复用器组成的光子集成电路。所述模分复用器放在中间位置，左右各有四个光耦合器件与对应模分复用器的输入输出端口相连。在输入光耦合器与模分复用器接口之间还设置有环形谐振调制器以实现对光信号的调制。最终实现单通道数据通信速率为70Gbps，总数据容量为280Gbps。
但是上述光子集成电路，调制器采用谐振器结构，对温度非常敏感，其次复用器件采用模分复用，应用范围小，且整个电路共有八个光接口，四个输入接口和四个输出接口，结构复杂。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种CWDM光发送芯片。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种CWDM光发送芯片，包括：SiNx光栅耦合器、SiNx模斑转换器、波导转换器、SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器、SiNx-薄膜铌酸锂波导器件、SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器，其特征在于，SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层，形成SiNx波导层，薄膜铌酸锂无需刻蚀直接键合在所述SiNx波导层上，所述SiNx波导层上依次覆盖二氧化硅薄膜层与薄膜铌酸锂层，所述SiNx波导层经过刻蚀以后与覆盖在其上的二氧化硅层及薄膜铌酸锂层共同形成SiNx-薄膜铌酸锂波导器件；所述SiNx光栅耦合器为芯片与光纤的耦合接口，所述SiNx模斑转换器用于将光栅区域的光模场传递到光波导中传输，所述波导转换器用于将SiNx波导内部传输的光模场传递到SiNx-薄膜铌酸锂波导层中传输；所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器通过SiNx模斑转换器将光模场尽可能限制在薄膜铌酸锂材料中，同时使用薄膜铌酸锂材料二次电光系数γ33，从而实现高速电光调制。
本发明一个较佳实施例中，所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器的电极结构采用推挽结构，能够同时在SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器的两臂上实现相反的相移。
本发明一个较佳实施例中，所述SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器采用单步刻蚀工艺制备。
本发明一个较佳实施例中，所述SiNx光栅耦合器设置于输入光纤与输出光纤接口处。
本发明一个较佳实施例中，所述SiNx模斑转换器为锥形结构的光波导。
本发明一个较佳实施例中，光波由SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器分束输入到相移器两臂内部进行传输或将传输完成后相移器两臂的光波合束输出。
本发明一个较佳实施例中，所述SiNx采用普通氮化硅材料或富硅氮化硅或富氮氮化硅材料。
本发明一个较佳实施例中，SiNx波导器件层通过等离子增强化学气相沉积法(PECVD)将SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层上。
本发明一个较佳实施例中，SiNx波导通过一步全刻蚀工艺留下在SiNx波导器件层上。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
本发明在SiNx平台上进行全刻蚀，然后键合薄膜铌酸锂层，避免了对薄膜铌酸锂进行刻蚀，减小了工艺复杂度。并且采用SiNx制作光栅耦合器件，能够得到较宽的带宽，为实现CWDM波分复用提供基础。利用薄膜铌酸锂材料的电光调制特性，采用所提出的倒脊形波导结构，能够实现高速电光调制。将波分复用与电光调制集成，实现了高速率、大容量的信号传输。
SiNx具有低材料损耗和类似于薄膜铌酸锂的光学透明窗口，基于这种混合平台的光子集成电路的性能不会因为引入负载材料而降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为实施例一的整体结构示意图；
图2为实施例一的去除薄膜铌酸锂层后的结构示意图；
图3为SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器组成结构图；
图4为SiNx-薄膜铌酸锂相移器截面图；
图5为实施例二的整体结构示意图；
图6为实施例三的整体结构示意图；
图中：
101：SiNx光栅耦合器；
102：SiNx模斑转换器；
103：波导转换器；
104：SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器；
105-1：SiNx-薄膜铌酸锂波导1；
105-2：SiNx-薄膜铌酸锂波导2；
105-3：SiNx-薄膜铌酸锂波导3；
105-4：SiNx-薄膜铌酸锂波导4；
106：SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器；
107：SiNx-薄膜铌酸锂弯曲波导；
108：薄膜铌酸锂层；
109：二氧化硅薄膜层；
1010：二氧化硅衬底层；
1011：硅衬底层；
1012-1：二氧化硅上包层；
1012-2：SiNx刻蚀后周围的二氧化硅层；
1013：SiNx波导器件层；
104-1：1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(MMI)；
104-2：SiNx-薄膜铌酸锂弯曲波导；
104-3：SiNx-薄膜铌酸锂直波导；
104-4：SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器；
104-5：SiNx-薄膜铌酸锂相移器；
104-6：电极。
具体实施方式
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，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，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。
如图1所示，一种CWDM光发送芯片，包括四个位于输入端的光栅耦合器(101)和一个位于输出端的光栅耦合器(101)、五个SiNx模斑转换器(102)、五个脊型波导转换器(103)、四个SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)、四个与波分复用器输入通道相连的SiNx-薄膜铌酸锂波导、一个SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)、一个与波分复用器输出通道相连的SiNx-薄膜铌酸锂波导(107)、二氧化硅衬底层(108)、二氧化硅薄膜层(109)以及薄膜铌酸锂层(1010)。
SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)具体结构如图3所示，由两个1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(104-1)、八个SiNx-薄膜铌酸锂弯曲波导(104-2)、四个SiNx-薄膜铌酸锂直波导(104-3)、四个SiNx薄膜铌酸锂模斑转换器(104-4)、两个SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)以及电极(104-6)组成。
本文所提出的CWDM光发送芯片，其特征在于：
所述SiNx光栅耦合器(101)：设置于输入光纤与输出光纤接口处。用于将所述输入光纤的信号光耦合进入波导或将经过芯片的光耦合输出给输出光纤。输入光纤、输出光纤均为单模光纤。
所述SiNx模斑转换器(102)：是锥形结构的光波导，其中四个SiNx模斑转换器完成由SiNx光栅耦合器(101)到四路波导转换器(103)的光传输，另外一个SiNx模斑转换器完成由波导转换器(103)到SiNx光栅耦合器的光传输。
所述波导转换器(103)：其一侧为SiNx波导，另一侧为SiNx-薄膜铌酸锂波导，完成由SiNx波导到SiNx-薄膜铌酸锂波导的光传输。
所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)：在二氧化硅衬底层(108)上制作SiNx波导层，薄膜铌酸锂层在上层(109)，中间有一个二氧化硅薄膜层(1010)。光波由1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(104-1)输入，经过SiNx-薄膜铌酸锂弯曲波导(104-2)和直波导(104-3)的传播，此时光模场被大部分限制在SiNx中，在SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器(104-4)的作用下，将SiNx的波导宽度变窄，此时光模场被大部分限制在薄膜铌酸锂层中。利用薄膜铌酸锂材料的电光效应，可以通过对信号电极(104-6)施加电压实现对SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)区域光波相位的控制。经过调制后的光波通过SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器(104-4)将光模场限制在SiNx中传输，然后继续经过SiNx薄膜铌酸锂弯曲波导(104-2)和直波导(104-3)的传播在输出端由1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(104-1)耦合输出。
所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)：其内部的SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器(104-4)的作用是将限制在SiNx内部的光模场过渡到SiNx-薄膜铌酸锂层中。此处，若SiNx为普通氮化硅材料，则不需要此器件，光模场能直接过渡到SiNx-薄膜铌酸锂层中，并且大部分限制在薄膜铌酸锂内部。若SiNx为富硅氮化硅或富氮氮化硅材料，则需要仔细设置氮化硅两端波导宽度，以实现光模场的过渡。
所述SiNx-薄膜铌酸锂波导(105)：将SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)与SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)的对应输入通道相连接，实现光信号的低损耗传输。
所述SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)：具有四个输入通道和一个输出通道，实现将四个通道的光输入耦合到一个通道中并输出。
所述SiNx薄膜铌酸锂弯曲波导(107)：将SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)的输出端口与波导转换器(103)相连。
所述薄膜铌酸锂层(108)：无需刻蚀，直接键合在氮化硅波导层上，仅在交界面处有一层薄的二氧化硅层以提高器件均匀性。主要作用是在SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)区域实现高速电光调制，为提高调制效率，沿电极信号方向为薄膜铌酸锂的Z晶向。
所述二氧化硅薄膜层(109)：是一层非常薄的二氧化硅，使薄膜铌酸锂与SiNx键合时能得到良好的平坦度，保证器件性能。
所述SiNx波导器件层(1013)：是指刻蚀后的SiNx平台，通过刻蚀工艺以及与铌酸锂材料键合可实现以上所述的各种器件。
输入信号由输入光纤进入SiNx光栅耦合器(101)，并由SiNx模斑转换器(102)将其转换到波导转换器(103)中传输，波导转换器(103)将光模场由SiNx波导传输转换到SiNx-薄膜铌酸锂中传输。输出后的光波由1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(104-1)分束，受到SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器的调制作用，调制器采用推挽方式，通过对电极(104-6)施加电压，可在SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)上实现相反的相移。然后通过波导转换器(103)将光模场限制在SiNx波导层中，经过SiNx薄膜铌酸锂弯曲波导(104-2)和直波导(104-3)的传输后，由1×2SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器(104-1)合束输出。输出的光波与SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)对应的输入通道相连，受到SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)的多模干涉作用，四路输入光波被耦合成一路从输出波导输出到SiNx-薄膜铌酸锂弯曲波导(107)中，然后经过波导转换器(103)将SiNx-薄膜铌酸锂中的光模场转换成SiNx波导中的光模场，之后由SiNx模斑转换器(102)将光波传递给SiNx光栅耦合器(101)耦合输出给输出光纤。实现了高速电光调制与大容量波分复用技术的集成。
图4为SiNx-薄膜铌酸锂相移器的截面图，其中：
将SiNx波导器件层(1013)通过等离子增强化学气相沉积法(PECVD)将SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层(1010)上，通过一步全刻蚀工艺留下我们所需要宽度的SiNx波导，在其上覆盖一个非常薄的二氧化硅薄膜层(109)，以改善材料的均匀性。然后再键合一层薄膜铌酸锂层(108)，上面覆盖一层二氧化硅上包层(1012-1)。从图4可以看出，最后形成的波导类似于倒脊形结构，薄膜铌酸锂波导层(108)相当于平板区波导，SiNx波导器件层(1013)相当于脊形波导。在SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)以外的区域，SiNx波导器件层(1013)被用来制备无源器件。在SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)区域为尽可能利用薄膜铌酸锂材料的电光特性，光模场大部分被限制在SiNx-薄膜铌酸锂波导的薄膜铌酸锂层(108)中。图4中所显示出来的电极(104-6)仅在SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)区域，在芯片其他区域并不存在。
实施例一
参考图1，图2，图3以及图4所示，该光发送芯片具有硅衬底层(1011)、二氧化硅衬底层(1010)、SiNx波导层(1013)、二氧化硅薄膜层(109)和薄膜铌酸锂薄膜层(108)。
该光发送芯片共集成有五个SiNx光栅耦合器(101)、五个SiNx模斑转换器(102)、五个波导转换器(103)、四个SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)、五个SiNx-薄膜铌酸锂波导(105、107)和一个SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)。其中，SiNx光栅耦合器(101)和SiNx模斑转换器(102)设置在SiNx波导层(1013)中，其他器件通过波导转换器(103)转换成SiNx-薄膜铌酸锂集成后的波导层中。
采用所述的SiNx光栅耦合器(101)：作为与外部光纤的耦合接口。
采用所述的五个SiNx模斑转换器(102)：实现SiNx光栅耦合器(101)与波导转换器(103)之间的模式转换和光传输。
采用所述五个波导转换器(103)：其一侧为SiNx波导，另一侧为SiNx薄膜铌酸锂波导，实现由SiNx波导到SiNx薄膜铌酸锂波导的光传输。
采用所述四个SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)：SiNx-薄膜铌酸锂相移器(104-5)区域为倒脊形结构，SiNx波导层(1013)全刻蚀，上面覆盖一个二氧化硅薄膜层(109)以及薄膜铌酸锂层(108)，为实现高速电光调制，通过SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器将光模场尽可能限制在薄膜铌酸锂材料中，同时使用薄膜铌酸锂材料的二次电光系数γ33进行电光调制。
采用所述四个SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器(104)：其内部的SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器(104-4)实现的功能是将SiNx内部的光模场传输到SiNx-薄膜铌酸锂内部，并且光模场大部分被限制在薄膜铌酸锂中，以实现高速电光调制。
采用所述的四个SiNx薄膜铌酸锂波导(105、107)：分别与SiNx薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)的四个输入通道和一个输出通道相连，可以是直波导，也可以是弯曲波导，还可以是直波导与弯曲波导的组合。
采用所述的一个SiNx薄膜铌酸锂CWDM波分复用器(106)：将四路光信号通过多模干涉作用耦合成一路输出，满足CWDM传输的要求，实现了大容量信息传输。
实施例二
如图5所示，薄膜铌酸锂层覆盖范围是电光调制器区域、波分复用器区域以及部分SiNx光波导传输区域，也可以为：薄膜铌酸锂覆盖区域仅为电光调制器的相移器区域，此时通过再设计本设计中的104-4模斑转换器，实现将光模场从SiNx波导从到SiNx-薄膜铌酸锂波导的转换，而波导转换器103可以改为普通SiNx波导。
实施例三
如图6所示，薄膜铌酸锂覆盖区域为整个芯片，此时需要重新设计本设计中的光栅耦合器和与光栅耦合器相连接的模斑转换器，使其为SiNx-薄膜铌酸锂光栅耦合器和SiNx-薄膜铌酸锂模斑转换器。为使光栅耦合器有较高的传输效率，可以在衬底中加入反射镜或者在光栅衬底部分开口，使光纤从下面入射。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (9)

1.一种CWDM光发送芯片，包括：SiNx光栅耦合器、SiNx模斑转换器、波导转换器、SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器、SiNx-薄膜铌酸锂波导器件、SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器，其特征在于，
SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层，形成SiNx波导层，薄膜铌酸锂无需刻蚀直接键合在所述SiNx波导层上，所述SiNx波导层上依次覆盖二氧化硅薄膜层与薄膜铌酸锂层，所述SiNx波导层经过刻蚀以后与覆盖在其上的二氧化硅层及薄膜铌酸锂层共同形成SiNx-薄膜铌酸锂波导器件；
所述SiNx光栅耦合器为芯片与光纤的耦合接口，所述SiNx模斑转换器用于将光栅区域的光模场传递到光波导中传输，所述波导转换器用于将SiNx波导内部传输的光模场传递到SiNx-薄膜铌酸锂波导层中传输；所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器通过SiNx模斑转换器将光模场尽可能限制在薄膜铌酸锂材料中，同时使用薄膜铌酸锂材料二次电光系数γ33，从而实现高速电光调制。
2.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：所述SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器的电极结构采用推挽结构，能够同时在SiNx-薄膜铌酸锂电光调制器的两臂上实现相反的相移。
3.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：所述SiNx-薄膜铌酸锂CWDM波分复用器采用单步刻蚀工艺制备。
4.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：所述SiNx光栅耦合器设置于输入光纤与输出光纤接口处。
5.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：所述SiNx模斑转换器为锥形结构的光波导。
6.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：光波由SiNx-薄膜铌酸锂多模干涉耦合器分束输入到相移器两臂内部进行传输或将传输完成后相移器两臂的光波合束输出。
7.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：所述SiNx采用普通氮化硅材料或富硅氮化硅或富氮氮化硅材料。
8.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：SiNx波导器件层通过等离子增强化学气相沉积法(PECVD)将SiNx材料沉积在二氧化硅衬底层上。
9.根据权利要求1所述的一种CWDM光发送芯片，其特征在于：SiNx波导通过一步全刻蚀工艺留下在SiNx波导器件层上。
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