[发明专利]基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统

说明书

光电子集成技术作为发挥光子优势的重要技术手段，成为光通信、微波光子等领域的重要支撑技术。然而，现有光电子集成还处在单个芯片实现单种器件的水平，多种器件之间的互连成为极大的技术挑战。本发明提出一种基于铌酸锂‑氮化硅晶圆的光电单片集成系统，利用一种新型晶圆(铌酸锂‑氮化硅晶圆)，实现了包括电光调制器、光子无源器件等在内的多器件单片集成系统。该系统的制备具有硅基CMOS工艺兼容性，可以在多数芯片制造厂商的平台上实现。并且该系统包含了电光调制、无源信号处理、光电探测在内的多个功能模块，可以满足目前多数光电子系统的单片集成。

技术领域

本发明涉及光电子集成技术领域，特别是一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统。

技术背景

由于光波的宽带特性，光电子技术正在广泛的应用场景中体现优势。例如光通信领域，采用光作为信号载体，极大地提升了信道容量；再如微波光子领域，利用光子器件的可调谐性与大带宽性能，可以处理传统电子技术无法处理的超宽带信号，并且具有硬件可编程能力，为雷达、侦察等模拟信号领域带来了极大的发展潜力。传统的光电子技术基于光纤器件或者空间光器件，体积较大、功耗较高。因此，近年来光电子集成技术发展迅速，旨在将光电子器件集成到芯片上，大幅缩小体积与功耗，提升单位面积上的处理能力。以基于硅衬底的硅光子集成技术为例，该技术利用现有的补偿金属氧化物半导体(CMOS)工艺，可以在硅衬底上制备出光波导、无源器件、调制器等光电子器件。由于其与现有代工厂商的工艺兼容性好，硅基光电子技术发展迅速，已经在广泛的民用领域取得了重要应用。但是，传统硅基光电子自身也存在无法逾越的缺陷：即电光调制的效率较低、损耗较大。原因在于，硅本身的电光效应极弱，必须进行离子注入改变材料性质才能完成电光调制。而离子注入将会极大的增加器件的损耗。

另一方面，基于铌酸锂材料的电光调制器具有十分重要的优势：其电光效应明显，可直接进行电光调制。因此，基于铌酸锂材料的电光调制器具有调制效率高、低损耗、线性度高的特点。但是，基于铌酸锂的调制器由于其制备难度高，目前只有少数厂商可以完成铌酸锂调制器的制造。并且铌酸锂调制器的制备工艺与传统硅基集成工艺无法兼容，因此无法将铌酸锂调制器与硅基工艺上实现的其他光电子器件进行单片集成。若需要将一个完整的光电子系统集成到芯片级别，必须将多种器件同时实现。这些不同的器件集成在不同的芯片上，芯片之间的光耦合将成为极大的挑战与难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统。本发明利用一种新型晶圆(铌酸锂-氮化硅晶圆)，实现了包括电光调制器、光子无源器件等在内的多器件单片集成系统。该系统的制备具有硅基CMOS工艺兼容性，可以在多数芯片制造厂商的平台上实现。并且该系统包含了电光调制、无源信号处理、光电探测在内的多个功能模块，可以满足目前多数光电子系统的实现。

本发明的技术方案如下。

一种基于铌酸锂-氮化硅晶圆的光电单片集成系统，其特点是该系统集成的材料为铌酸锂-氮化硅晶圆，该晶圆的单个芯片的结构从下至上依次为衬底层、二氧化硅层、铌酸锂层、氮化硅层，在所述的氮化硅层上利用现有CMOS工艺一次刻蚀所述的电光调制阵列与所述光子无源器件阵列，随后利用现有CMOS工艺在氮化硅层上方沉积锗并制备所述的光电探测阵列，所述的电光调制阵列包含M个电光调制器，所述的光子无源器件阵列包含一种以上的光子无源器件，所述的光电探测阵列包括N个光电探测器，所述的光电单片集成系统所需的的光由外接光源经所述的电光调制阵列或者光子无源器件阵列提供，所述光电单片集成系统通过所述的光电探测阵列的输出端口进行电信号输出，或通过所述的光子无源器件阵列的光输出端口进行光信号输出。

所述的光子无源器件阵列包括一个以上光子无源器件，所述的光子无源器件为光波导、分光器、合束器、波分复用器、波分解复用器、光延时线、移相器、模斑转换器、微环谐振器、光域滤波器、色散介质、或光栅。