CN117154539A - 一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，该结构包括激光器芯片，集成光放大器芯片，激光相控发射天线芯片，面阵接收天线芯片，以及用于电极扇出与波导高度匹配的扇出转接板。本发明能够实现含光放大器的激光雷达收发芯片集成，解决全固态激光雷达光发射功率不足的问题。本发明采用超薄层BCB实现包含微环谐振腔、分束器、合束器的硅基光无源芯片与Ⅲ‑Ⅴ族光放大器芯片倒装键合，通过背减薄、光刻、刻蚀工艺实现波导对准，获得百纳米级对准精度；采用微透镜耦合，实现激光雷达收发芯片与集成光放大器芯片光互联，该激光雷达收发芯片具备链路损耗低、发射光功率大、体积小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光雷达集成与制造技术，更具体的涉及一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法。
背景技术
激光雷达是一类通过激光进行探测的主动遥感技术。相比传统的探测方案，激光雷达具有分辨率高、抗干扰能力强、灵敏度高、非接触测量等优点，被广泛运用于航天航空、工业检伤、遥感制图、无人驾驶、林业探测等领域。
根据测距原理的不同，激光雷达可以分为非相干探测型和相干探测型。非相干探测直接检测反射光的强度信息和时间信息来实现对距离信息的测量，形成三维图像。这类测量方式相对简单且易于实现，但是存在探测盲区、易受环境光干扰、雷达之间串扰严重、无法直接测量速度信息，不利于密集使用。相干探测激光雷达灵敏度高、探测效率高、无视野盲区、不受雷达之间串扰影响，且可以同时实现对距离与速度信息的直接测量。但目前相干体制激光雷达受出光功率低、集成体积大困扰，与非相干体制激光雷达发展水平仍存在较大差距。
发明内容
本发明的目的在于提出一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，以期解决上述相干体制激光雷达出光功率低、集成体积大的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种集成光放大器的激光雷达收发芯片，包括：
激光器芯片，用于产生调频连续波激光信号；
集成光放大器芯片，包含：微环谐振腔、光放大器、分束器与合束器，实现窄线宽激光输出、分束、光放大、回波与本振相干合束；
激光相控发射天线芯片，其上有激光相位调制单元，用于激光信号扫描发射；
面阵接收天线芯片，其上有激光耦合接收面阵，用于激光信号回波接收；
平衡探测器芯片，由一组响应一致的PIN光电探测器组成，用于相干信号接收；
扇出转接板，其上有电极引线键合焊盘与扇出布线，用于激光器芯片、光放大器、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片电信号扇出。
进一步的，所述的激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片在同一块扇出转接板上贴装集成。
进一步的，激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片以及面阵接收天线芯片间通过微透镜进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成光放大器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器，空气隙宽度0.1-0.5mm。
进一步的，集成光放大器芯片包含微环谐振腔、光放大器、光分束器、光合束器，微环谐振腔起到激光外腔振荡反馈作用，形成窄线宽激光信号，光放大器起到激光功率放大作用，光分束器产生本振与发射信号，光合束器起到回波与本振耦合作用。
进一步的，微环谐振腔、分束器及合束器基于硅基SOI工艺或硅基铌酸锂工艺制作，作为硅基晶圆，光放大器采用Ⅲ-Ⅴ族衬底Ⅲ-Ⅴ族外延材料生长形成Ⅲ-Ⅴ族晶圆，通过超薄层BCB与硅基晶圆键合，通过光刻、刻蚀工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，波导对准精度优于500nm，BCB层厚度50-400nm。
本发明还提供一种集成光放大器的激光雷达收发芯片的制造方法，包括：
步骤1：在SOI衬底或硅基铌酸锂衬底上制备微环谐振腔、分束器、合束器，作为集成放大器的硅基晶圆；在SOI衬底或硅基铌酸锂衬底上制备激光相控天线、面阵接收天线并划片，作为激光相控发射天线芯片及面阵接收天线芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，基于光刻、刻蚀与金属化工艺制作并划片获得激光器芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族光放大器外延层，作为光放大器晶圆片；
步骤2：在硅基晶圆表面进行超薄层BCB涂覆，将光放大器晶圆片与硅基晶圆进行对准倒装键合，采用机械减薄对光放大器晶圆片进行预减薄，采用干法与湿法工艺进一步减薄至截止层；采用光刻、刻蚀工艺完成光放大器波导制作，基于光刻套刻工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，划片后获得集成光放大器芯片；
步骤3：制作扇出转接板，并对激光雷达收发芯片进行厚度测量，在扇出转接板上进行厚度匹配结构制作，清洗后进行表面电极层金属布线；
步骤4：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片通过导热绝缘胶贴装到扇出转接板特定区域，并进行引线键合实现激光器芯片、光放大器、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片电信号扇出；
步骤5：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片和面阵接收天线芯片间通过微透镜进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成光放大器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用超薄层BCB实现包含微环谐振腔、分束器、合束器的硅基晶圆与Ⅲ-Ⅴ族光放大器晶圆倒装键合，通过背减薄、光刻、刻蚀工艺实现波导对准，获得百纳米级对准精度；采用微透镜耦合，实现激光雷达收发芯片与集成光放大器芯片光互联，该集成光放大器的激光雷达收发芯片具备链路损耗低、发射光功率大、体积小的特点。
附图说明
图1为本发明一种集成光放大器的激光雷达收发芯片的结构框图。
图2为本发明一种集成光放大器的激光雷达收发芯片的顶视图。
图3为本发明一种集成光放大器的激光雷达收发芯片的侧视图。
图4为本发明一种集成光放大器的激光雷达收发芯片中基于超薄层BCB的Ⅲ-Ⅴ族光放大器-硅基集成结构图。
其中：
101-激光器
102-微环谐振腔
103-分束器
104-光放大器
105-激光相控发射天线
201-面阵接收天线
202-合束器
203-平衡探测器
204-扇出转接板
205-微透镜
301-硅基衬底
302-SiO2波导约束层
303-硅光波导
304-BCB键合层
305-Ⅲ-Ⅴ族放大器光波导层
306-Ⅲ-Ⅴ族放大器发光层
307-Ⅲ-Ⅴ族放大器截止层
具体实施方式
下文结合说明书附图及具体实施例，对本发明作详细说明。
本发明提出了一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，各芯片间光发射方向如图1箭头所示，激光器101产生调频连续波激光信号，经微环谐振腔102、分束器103与放大器104，通过激光相控发射天线芯片105向空间特定方向发射并扫描，由面阵接收天线芯片201接收返回信号，经合束器202与本振信号相干进入平衡探测器芯片203进行信号检测。
激光雷达收发芯片结构如图2所示，包括：激光器芯片、集成光放大器芯片(包含微环谐振腔、分束器、光放大器、合束器)、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片，所有芯片在同一块扇出转接板204上贴装集成。
激光雷达收发芯片各芯片间光聚焦耦合方式如图3所示，激光器芯片与集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片以及面阵接收天线芯片间通过微透镜205进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成微环谐振腔、光放大器、分束器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器，空气隙宽度0.1-0.5mm。
集成光放大器芯片包含微环谐振腔、光放大器、光分束器、光合束器，微环谐振腔起到激光外腔振荡反馈作用，形成窄线宽激光信号，光放大器起到激光功率放大作用，光分束器产生本振与发射信号，光合束器起到回波与本振耦合作用。
微环谐振腔、分束器及合束器基于硅基SOI工艺或硅基铌酸锂工艺制作，作为硅基晶圆，光放大器采用Ⅲ-Ⅴ族衬底Ⅲ-Ⅴ族外延材料生长形成Ⅲ-Ⅴ族晶圆，通过超薄层BCB与硅基晶圆键合，通过光刻、刻蚀工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，波导对准精度优于500nm，BCB层厚度50-400nm。
本发明还提出了一种集成光放大器的激光雷达收发芯片的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：在硅基衬底301上制备硅光波导303，生长SiO2介质形成SiO2波导约束层302，形成硅基微环谐振腔、分束器、合束器器件，作为集成放大器的硅基晶圆；在硅基衬底301上制备激光相控天线、面阵接收天线并划片，作为激光相控发射天线芯片及面阵接收天线芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，基于光刻、刻蚀与金属化工艺制作并划片获得激光器芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族光放大器外延层，依次生长Ⅲ-Ⅴ族光放大器截止层307、发光层306与光波导层305，作为光放大器晶圆片，如图4所示。
步骤2：在硅基晶圆表面进行BCB键合层304涂覆，将光放大器晶圆片与硅基晶圆进行对准倒装键合，固化后BCB厚度50-400nm，采用机械减薄对光放大器晶圆片进行预减薄，采用干法与湿法工艺进一步减薄至截止层307。采用光刻、刻蚀工艺完成Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导305制作，基于光刻套刻工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，波导对准精度优于500nm，划片后获得集成光放大器芯片。
步骤3：采用氧化铝或氮化铝材料制作扇出转接板，并对激光雷达收发芯片进行厚度测量，在氧化铝或氮化铝材料上进行厚度匹配结构制作，清洗后进行表面电极层金属布线。
步骤4：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片通过导热绝缘胶贴装到扇出转接板特定区域，并进行引线键合实现激光器芯片、光放大器、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片电信号扇出。
步骤5：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片和面阵接收天线芯片间通过微透镜进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成光放大器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器，空气隙宽度0.1-0.5mm。
尽管结合优选实施例具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种集成光放大器的激光雷达收发芯片，其特征在于，包括：
激光器芯片，用于产生调频连续波激光信号；
集成光放大器芯片，包含：微环谐振腔、光放大器、分束器与合束器，实现窄线宽激光输出、分束、光放大、回波与本振相干合束；
激光相控发射天线芯片，其上有激光相位调制单元，用于激光信号扫描发射；
面阵接收天线芯片，其上有激光耦合接收面阵，用于激光信号回波接收；
平衡探测器芯片，由一组响应一致的PIN光电探测器组成，用于相干信号接收；
扇出转接板，其上有电极引线键合焊盘与扇出布线，用于激光器芯片、光放大器、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片电信号扇出。
2.根据权利要求1所述的一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，其特征在于，所述的激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片在同一块扇出转接板上贴装集成。
3.根据权利要求1所述的一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，其特征在于，所述的激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片以及面阵接收天线芯片间通过微透镜进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成光放大器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器，空气隙宽度0.1-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，其特征在于，所述的集成光放大器芯片包含微环谐振腔、光放大器、光分束器、光合束器，微环谐振腔用于激光外腔振荡反馈，形成窄线宽激光信号，光放大器用于激光功率放大，光分束器产生本振与发射信号，光合束器用于回波与本振耦合。
5.根据权利要求1所述的一种集成光放大器的激光雷达收发芯片及其制造方法，其特征在于，所述的集成光放大器芯片基于硅基SOI工艺或硅基铌酸锂工艺制作微环谐振腔、分束器及合束器，作为硅基晶圆，光放大器采用Ⅲ-Ⅴ族衬底Ⅲ-Ⅴ族外延材料生长形成Ⅲ-Ⅴ族晶圆，通过超薄层BCB与硅基晶圆键合，通过光刻、刻蚀工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，波导对准精度优于500nm，BCB层厚度50-400nm。
6.一种如权利要求1所述集成光放大器的激光雷达收发芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在SOI衬底或硅基铌酸锂衬底上制备微环谐振腔、分束器、合束器，作为集成放大器的硅基晶圆；在SOI衬底或硅基铌酸锂衬底上制备激光相控天线、面阵接收天线并划片，作为激光相控发射天线芯片及面阵接收天线芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族激光器外延层，基于光刻、刻蚀与金属化工艺制作并划片获得激光器芯片；在Ⅲ-Ⅴ族衬底直接生长Ⅲ-Ⅴ族光放大器外延层，作为光放大器晶圆片；
步骤2：在硅基晶圆表面进行超薄层BCB涂覆，将光放大器晶圆片与硅基晶圆进行对准倒装键合，采用机械减薄对光放大器晶圆片进行预减薄，采用干法与湿法工艺进一步减薄至截止层；采用光刻、刻蚀工艺完成光放大器波导制作，基于光刻套刻工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，划片后获得集成光放大器芯片；
步骤3：制作扇出转接板，并对激光雷达收发芯片进行厚度测量，在扇出转接板上进行厚度匹配结构制作，清洗后进行表面电极层金属布线；
步骤4：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片、平衡探测器芯片通过导热绝缘胶贴装到扇出转接板特定区域，并进行引线键合实现激光器芯片、光放大器、激光相控发射天线芯片、面阵接收天线芯片电信号扇出；
步骤5：激光器芯片、集成光放大器芯片、激光相控发射天线芯片和面阵接收天线芯片间通过微透镜进行光束准直聚焦；平衡探测器竖直贴装，与集成光放大器芯片端面近贴，光束通过波导端面经过空气隙进入平衡探测器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，在硅基晶圆表面进行超薄层BCB涂覆，将光放大器晶圆片与硅基晶圆进行对准倒装键合，固化后BCB厚度50-400nm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，基于光刻套刻工艺实现Ⅲ-Ⅴ族光放大器波导与硅光波导对准，波导对准精度优于500nm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，采用氧化铝或氮化铝材料制作扇出转接板。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，空气隙宽度为0.1-0.5mm。
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| CN117871422A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-12 | 之江实验室 | 光声光谱气体传感器及其制备方法 |
| CN117871422B (zh) * | 2024-03-08 | 2024-05-31 | 之江实验室 | 光声光谱气体传感器及其制备方法 |
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