一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法技术

本发明专利技术实施例提供一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法。所述芯片包括硅衬底；位于所述硅衬底上的二氧化硅包层；分别集成在所述二氧化硅包层内且位于所述硅衬底上的半导体激光器芯片、第一混合集成波导、光信号处理单元和第二混合集成波导；所述光信号处理单元通过第一硅波导连接所述第一混合集成波导，通过第二硅波导连接所述第二混合集成波导，用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理；所述第一混合集成波导包括一个或多个用于半导体激光器芯片耦合的Si3N4波导，所述第二混合集成波导包括一个或多个用于单模光纤耦合的Si3N4波导。所述芯片耦合效率高和耦合容差高。

【技术实现步骤摘要】
一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法
本专利技术实施例涉及光通信用光电子器件领域，尤其涉及一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法。
技术介绍
硅光子技术是基于硅材料，利用现有CMOS工艺进行光器件的开发和集成的新一代技术，在光通信，数据中心，超级计算以及生物，国防，AR/VR技术，智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。美欧等国在硅光子领域已经有十多年的投入和积累，并业已形成了产业优势。据LightCounting预测，仅硅光子在光通信领域的产品市场五年内就将达到10亿美元以上。未来一二十年内，硅光子技术的市场更将远远超过这一数字。当前硅光子技术日渐成熟，其高集成度、小尺寸、低功耗、光电集成等优点备受瞩目，未来硅光子技术将有可能会替代当前的自由空间耦合技术，并且硅光子技术具有解决长远的技术演进(高速率，高集成度)和成本矛盾的能力。硅光子芯片可以集成除了激光器以外的包括：高速率调制器、传输波导、耦合器、高速率Ge-Si探测器等，将无源芯片和有源芯片实现了单片集成，但耦合问题还存在挑战，其中硅基激光器技术目前还不成熟，需要将三五族的激光器通过耦合到硅波导里，光纤耦合也是硅光子器件产品化中的一个重要难点，那么如何实现高耦合效率，大耦合容差，高可靠性，并且能实现快速批量成产成亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术实施例提供一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法。第一方面，本专利技术实施例提供一种混合集成硅光芯片，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的二氧化硅包层；分别集成在所述二氧化硅包层内且位于所述硅衬底上的半导体激光器芯片、第一混合集成波导、光信号处理单元和第二混合集成波导；所述光信号处理单元通过第一硅波导连接所述第一混合集成波导，通过第二硅波导连接所述第二混合集成波导，用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理；所述第一混合集成波导包括一个或多个用于半导体激光器芯片的Si3N4波导，所述第二混合集成波导包括一个或多个用于单模光纤耦合的Si3N4波导；所述半导体激光器芯片输出光信号，耦合进入所述第一混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第一混合集成波导的Si3N4波导耦合进入所述第一硅波导，并传输至所述光信号处理单元，经过所述光信号处理单元处理后的光信号通过第二硅波导进行传输，耦合进入所述第二混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第二混合集成波导的Si3N4波导耦合进入输出光纤并输出。第二方面，本专利技术实施例提供一种光器件，包括本专利技术实施例第一方面及其任一可选实施例所述的混合集成硅光芯片。第三方面，本专利技术实施例提供芯片制作方法，用于制作本专利技术实施例第一方面及其任一可选实施例所述的混合集成硅光芯片，包括：在SOI晶元上，通过硅波导光刻、刻蚀和离子注入，形成光信号处理单元；通过材料生长、离子注入、光刻及刻蚀工艺在所述硅衬底上形成第一混合集成波导和第二混合集成波导；通过混合集成倒装的方式将半导体激光器芯片贴装在所述硅衬底表面，且与所述第一混合集成波导对准；通过PECVD法在所述硅衬底上形成二氧化硅包层。本专利技术实施例提供的一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法。所述混合集成硅光芯片，在同一硅衬底上集成两个混合集成波导，一个用于接收输入光信号，一个用于输出光信号，在输入和输出之间设置光信号处理单元，通过硅波导连接两个混合集成波导，其中混合集成波导由一个或多个Si3N4波导组成，利用Si3N4波导进行光信号的输入和输出耦合，可提升耦合效率和耦合容差。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例一种混合集成硅光芯片组成示意图；图2(a)为本专利技术实施例第一混合集成波导端的耦合结构俯视示意图；图2(b)为本专利技术实施例第一混合集成波导端的耦合结构侧视示意图；图3为本专利技术实施例第二混合集成波导端的耦合结构侧视示意图；图4为本专利技术实施例混合集成波导端的结构示意图；图5为本专利技术实施例第一混合集成波导端与有源激光器芯片的耦合效率示意图；图6为本专利技术实施例第一混合集成波导端与有源激光器芯片的耦合容差示意图；图7为本专利技术实施例第二混合集成波导端与输出光纤的耦合效率示意图；图8为本专利技术实施例芯片制作方法流程示意图。附图标记说明100、硅衬底，101、半导体激光器芯片，102、第一混合集成波导，103、第一硅波导，104、光信号处理单元，105、第二硅波导，106、第二混合集成波导，107、二氧化硅包层，108、Si3N4波导，200、激光器芯片固定平台，201、焊点，202、金属电极，203、Stopper结构，204、对准标记。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例一种混合集成硅光芯片示意图，如图1所示的混合集成硅光芯片，包括：硅衬底100；位于所述硅衬底100上的二氧化硅包层107；分别集成在所述二氧化硅包层内且位于所述硅衬底100上的半导体激光器芯片101、第一混合集成波导102、光信号处理单元104和第二混合集成波导106；所述光信号处理单元104通过第一硅波导103连接所述第一混合集成波导102，通过第二硅波导105连接所述第二混合集成波导106，用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理；所述第一混合集成波导102包括一个或多个用于半导体激光器芯片耦合的Si3N4波导108，所述第二混合集成波导106包括一个或多个用于单模光纤耦合的Si3N4波导108；请参考图1，本专利技术实施例的混合集成硅光芯片，包括两个端口方向的混合集成波导，即第一混合集成波导102和第二混合集成波导106，其中一个作为输入波导，一个作为输出波导，具体，第一混合集成波导102为输入波导，第二混合集成波导106为输出波导。每个混合集成波导均由一个或多个Si3N4波导108组成，即根据实际的需要，混合集成波导可以是一个Si3N4波导108，也可以是由多个Si3N4波导108组成的Si3N4波导阵列，Si3N4波导108用于将光信号耦合进入或耦合出硅波导，将光信号耦合进入输出光纤等，从而实现光信号的输入和输出耦合。其中光信号处理单元104用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理，还可以对光信号进行延时、放大、监控等处理，其结构可以是调制/解调器，波分复用解复用器，延迟器等。其中半导体激光器芯片101设置在所述第一混合集成波导102的信号输入侧，用于产生输出波长的光信号。本专利技术实施例的混合集成硅光芯片的工作原理为：所述半导体激光器芯片输出光信号，耦合进入所述第一混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第一混合集成波导的Si3N4波导耦合进入所述第一硅波导，并传输至所述光信号处理单元，经过所述光信号处理单元处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合集成硅光芯片，其特征在于，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的二氧化硅包层；分别集成在所述二氧化硅包层内且位于所述硅衬底上的半导体激光器芯片、第一混合集成波导、光信号处理单元和第二混合集成波导；所述光信号处理单元通过第一硅波导连接所述第一混合集成波导，通过第二硅波导连接所述第二混合集成波导，用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理；所述第一混合集成波导包括一个或多个用于半导体激光器芯片耦合的Si3N4波导，所述第二混合集成波导包括一个或多个用于单模光纤耦合的Si3N4波导；所述半导体激光器芯片输出光信号，耦合进入所述第一混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第一混合集成波导的Si3N4波导耦合进入所述第一硅波导，并传输至所述光信号处理单元，经过所述光信号处理单元处理后的光信号通过第二硅波导进行传输，耦合进入所述第二混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第二混合集成波导的Si3N4波导耦合进入输出光纤并输出。

【技术特征摘要】
1.一种混合集成硅光芯片，其特征在于，包括：硅衬底；位于所述硅衬底上的二氧化硅包层；分别集成在所述二氧化硅包层内且位于所述硅衬底上的半导体激光器芯片、第一混合集成波导、光信号处理单元和第二混合集成波导；所述光信号处理单元通过第一硅波导连接所述第一混合集成波导，通过第二硅波导连接所述第二混合集成波导，用于对光信号进行调制/解调和分波/合波处理；所述第一混合集成波导包括一个或多个用于半导体激光器芯片耦合的Si3N4波导，所述第二混合集成波导包括一个或多个用于单模光纤耦合的Si3N4波导；所述半导体激光器芯片输出光信号，耦合进入所述第一混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第一混合集成波导的Si3N4波导耦合进入所述第一硅波导，并传输至所述光信号处理单元，经过所述光信号处理单元处理后的光信号通过第二硅波导进行传输，耦合进入所述第二混合集成波导的Si3N4波导，通过所述第二混合集成波导的Si3N4波导耦合进入输出光纤并输出。2.根据权利要求1所述的混合集成硅光芯片，其特征在于，所述第一混合集成波导和第二混合集成波导的Si3N4波导的数目相同，具有相同的物理结构；若所述第一混合集成波导和第二混合集成波导包括多个Si3N4波导，则所述多个Si3N4波导在垂直方向排列，以扩大光信号在竖直方向的模场；所述第一混合集成波导的Si3N4波导与所述第一硅波导部分重叠，且重叠部分的Si3N4波导沿光路方向的宽度逐渐减小，重叠部分的第一硅波导部分沿光路方向的宽度逐渐增大；所述第二混合集成波导的Si3N4波导与所述第二硅波导部分重叠，且重叠部分的Si3N4波导沿光路方向的宽度逐渐增大，重叠部分的第二硅波导部分沿光路方向的宽度逐渐变小。3.根据权利要求1或2所述的混合集成硅光芯片，其特征在于，所述第一混合集成波导和第二混合集成波...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁雪瑞，马卫东，胡毅，
申请(专利权)人：武汉光迅科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42