[发明专利]VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法

说明书

本发明公开了VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法，包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，器件层制备有光波导结构，缓冲层制备有电极结构；LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，垂直耦合端口置于凹槽内；垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，倾斜段设有光栅耦合器；凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有VCSEL相干阵列。本发明光芯片提高了系统的信息处理速率。

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法。

背景技术

众所周知，5G后的高速时代，速度相较于4G提升了100倍以上，其峰值传输速率最高可达到10Gbps。随之而来的是海量数据处理需要强有力的信息处理技术予以支撑。

目前基于电子的信息处理技术已经越来越不能满足人工识别、大数据、图像处理等领域的需要，一是硬件方面，基于摩尔定律走到今天的5nm工艺已经越来越接近物理极限；二是电子本身的物理特性决定了其处理技术的单一比特位数的特征，即使采取分布式计算仍然无法根本性的解决运算能力问题。

光芯片是一种高度集成的元器件，其所集成的元件包括激光器、调制器、耦合器、分束器、波分复用器、探测器等等，光芯片可运用半导体发光技术，产生持续的激光束，驱动其他光子器件，从而实现让光子代替传统的电子作为传输媒介，进行信息的传输与处理；理论上，相比于传统的电子芯片，光芯片的计算速度可提高1000倍以上，且功耗仅为电子芯片的百分之一。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法，用该光芯片代替电子芯片，解决电子芯片信息处理速率低的问题，使系统的信息处理速度以光速进行。

为实现上述目的，本发明提供了一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构，包括：

包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；

所述MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，所述LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，所述器件层制备有所述光波导结构，所述缓冲层制备有所述电极结构；

所述LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，所述垂直耦合端口置于所述凹槽内；所述垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，所述倾斜段设有光栅耦合器；

所述凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有所述VCSEL相干阵列，所述VCSEL相干阵列为底面发射结构，且发射光源位置对应所述光栅耦合器。

作为本发明的进一步改进，

所述VCSEL相干阵列设有M*N个VCSEL发光单元，M、N均大于1；

所述M*N个VCSEL发光单元设置为四方形阵列或六角形阵列；

所述VCSEL相干阵列的衬底层的厚度与四方形阵列或六角形阵列的间距以及VCSEL相干阵列的激射波长满足Talbot关系式。

作为本发明的进一步改进，所述倾斜段与水平方向的夹角为5～11°。

作为本发明的进一步改进，所述光波导结构包括顺次连接的输入波导、3dB分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB合束器和输出波导，所述输入波导上设有耦合端口，所述耦合端口连接所述第一贴合段。