基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统及制备方法技术方案

一种基于铌酸锂‑硅晶圆的单片集成光模数转换系统及制备方法，利用一种新型晶圆(铌酸锂‑硅晶圆)，实现了包括电光调制器阵列、可调延时线阵列、电子电路等在内的电光多器件单片集成光模数转换系统。使得多种器件在同一个芯片上制作出来，保证了系统的性能优势及其稳定性。此外，本发明专利技术提出了一种CMOS兼容的系统制备方式，使得基于铌酸锂‑硅晶圆的单片集成光模数转换系统可以在多数芯片制造厂商的平台上实现。

A monolithic integrated optical analog-to-digital conversion system based on lithium niobate silicon wafer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统及制备方法
本专利技术涉及光电子集成
，特别是一种基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光子模数转换系统及制备方法。技术背景模数转换器广泛应用于电子信息系统中，是将现实中的模拟信号转化为计算机可以处理的数字信号的必要桥梁。光模数转换器是一种借助光子高速宽带优势的新型模数转换技术，可以有效提升模数转换器的接收带宽。虽然光模数转换器的有效位数、接收带宽等性能指标已经收到了广泛的研究，但是实现光模数转换系统却是一个极具挑战性的难题。其主要原因在于光模数转换系统所使用的光电单元器件数量大并且需要大量可调器件。现有实现的光模数转换系统样机均存在体积大，功耗高，控制难等问题。为了解决这些难题，光电子集成技术提供了一条有效的途径。将大量的光电子器件集成在芯片上，可以极大程度地降低光模数转换系统的功耗与体积，并且芯片的高稳定性可以降低控制难度。然而，现有的绝大多数光电子集成技术很难将多种器件集成在单个芯片上，芯片间的光电信号低损耗传输成为了最大的瓶颈问题。即是单个单元器件的性能达到了较高水平，若无法与其他单元器件有效互连，系统的整体性能仍然无法提升。因此，单片系统级集成成为未来光电系统，包括光模数转换系统的发展趋势。虽然现有的技术已经提出了光电单片集成的通信收发系统，但是利用硅基补偿金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现的调制器的消光比、速率等性能都只能满足通信数字信号传输的要求。无法在模数转换领域发挥作用。因此，需要一种新型的单片系统集成技术来实现包括高性能电光调制器在内的光电子器件，从而构成单片光模数转换系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统及制备方法。本专利技术利用一种新型晶圆(铌酸锂-硅晶圆)，实现了包括电光调制器阵列、光子无源器件阵列、光电探测器阵列、电子电路、电子驱动电路等在内的单片集成光模数转换系统。该单片集成系统包含了除光源以外的所有光模数转换器所需的光电单元器件，可以避免多个芯片之间的光电耦合，在单个芯片内完成模拟信号输入，数字信号输出的整个流程。并且，本专利技术所述的单片集成光模数转换系统具有硅基CMOS工艺兼容性，可以在多数芯片制造厂商的平台上实现，因此降低了系统实现的难度与成本。本专利技术的技术方案如下。一种基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统，其特点在于，在单个芯片上集成了电光调制器阵列、可调延时线阵列、光电探测器阵列、射频驱动电路、直流驱动电路和电子信号处理电路，所述的电光调制器阵列接收外界输入的光脉冲与外界输入的模拟信号，在所述的射频驱动电路与直流驱动电路的驱动下，完成模拟信号的采样以及光脉冲的时分解复用，形成2n路光输出，所述的电光调制器阵列共包含有2n个铌酸锂-硅电光调制器，其中的一个作为采样门，接收模拟信号输入，该采样门是单输出的电光调制器，即只有一个光输出端口，剩余的2n-1个电光调制器形成n级时分解复用结构，该时分解复用结构中的每个电光调制器均是双输出的电光调制器，具有两个光输出端口，第n级的2n-1个电光调制器共2n个光输出端口，所述的可调延时线阵列具有2n个可调延时线，该2n个可调延时线分别位于所述的电光调制器阵列的2n光输出端口之后，所述的光电探测器阵列包含2n个硅-锗光电探测器，分别位于所述的可调延时线阵列的2n光输出端口之后，所述的射频驱动电路由时钟、倍频器组、分频器组、滤波器组、移相器组、放大器组组成，其目的在于：为电光调制器阵列的时分解复用结构提供射频驱动信号，为电子信号处理电路提供时钟信号；所述的直流驱动电路包含可调电压源组和直流电源组，其目的在于：控制电光调制器阵列中每一个电光调制器的偏置电压，为可调延时线阵列的可调延时线提供直流信号，为光电探测器阵列的每一个光电探测器提供电源；所述的电子信号处理电路包含依次的跨阻放大器组、电子模数转换器组和数字信号处理器，所述的跨阻放大器组将光电探测器阵列输出的电流信号转化为电压信号并放大并输入所述的电子模数转换器组，所述的电子模数转换器组完成电压信号的量化后为所述的数字信号处理器(603)输出数字信号，所述的数字信号处理器完成通道交织处理后，输出数字信号作为整个系统的输出。所述的基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统，各部件的连接方式为：外部输入的光脉冲连接采样门的光输入端口；模拟信号通过采样门的电输入端口输入；采样门的光输出端口连接时分解复用结构的第一级双输出调制器的光输入端口；所述的射频驱动电路的2n-1个射频输出端口相应连接到时分解复用结构中的2n-1个双输出调制器的电输入端口；所述的的时分解复用结构的第n级的2n个光输出端口对应连接2n个可调延时线的光输入端口；所述的可调延时线阵列的2n个光输出端口对应连接所述的光电探测器阵列的2n个光输入端口；所述的光电探测器阵列的2n个电输出端口对应连接到所述的电子信号处理电路的2n个电信号输入端口；所述的射频驱动电路的时钟信号输出端连接到所述的电子信号处理电路的时钟输入端口；所述的直流驱动电路的电压输出分别连接到采样门、时分解复用结构的双输出调制器、可调延时线、光电探测器阵列的直流输入端口；所述的电子信号处理电路的电输出端口为系统输出端口，所述的n≥2。上述基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统的制备方法，其特点在于，该制备方法包括如下步骤：1)光子器件波导结构的制备：所述的铌酸锂-硅晶圆单片，由下到上的衬底层、二氧化硅层、铌酸锂层和硅层构成，在所述的铌酸锂-硅晶圆单片的最上面的硅层设置光子器件的波导结构，包括所述的电光调制器的分光器、合束器、移相直波导、光输入输出端口，所述的可调延时线的延时波导、热光开关、光输入输出端口以及所述的光电探测器的光输入端口，按照对应不同波导的各自的宽度和高度确定曝光时间等工艺参数；并根据上述连接关系将波导连接起来，按照此波导连接方式制作掩膜版，通过标准CMOS工艺完成对所述的硅层的刻蚀，形成全部光子器件的波导结构；2)光电探测阵列锗薄膜有源区的制备：在步骤1)的基础上，在所述的铌酸锂-硅晶圆的上方利用化学气相沉积法沉积一层锗薄膜，随后利用CMOS工艺刻蚀锗薄膜，分别在每一个光电探测器光输入口后方留有一块锗薄膜作为有源区，其他的锗薄膜全部移除；每一块锗薄膜有源区覆盖一段光波导，使得光输入端口进入的光到达有源区时转化为电信号；3)电子电路的形成：使用光刻胶或沉积保护材料对步骤1)、2)中形成的光子器件阵列进行保护，随后利用标准CMOS工艺形成系统中所需的电子元器件，包含所述的射频驱动电路中的时钟、倍频器组、分频器组、滤波器组、移相器组、放大器组，所述的直流驱动电路，所述的电子信号处理电路；4)所有电极与电互连线的制备：形成所述的电光调制器阵列的所有电极，可调延时线阵列的所有电极，光电探测器的所有电极，形成所述的光电探测器电极与电子信号处理电路之间的电互连线，所述的射频驱动电路与电光调制器阵列之间的电互连线，直流驱动阵列与电光调制阵列、可调延时线阵列、光电探测器阵列之间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统，其特征在于，在单个芯片上集成了电光调制器阵列(100)、可调延时线阵列(200)、光电探测器阵列(300)、射频驱动电路(400)、直流驱动电路(500)和电子信号处理电路(600)，所述的电光调制器阵列(100)接收外界输入的光脉冲与外界输入的模拟信号，在所述的射频驱动电路(400)与直流驱动电路(500)的驱动下，完成模拟信号的采样以及光脉冲的时分解复用，形成2

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统，其特征在于，在单个芯片上集成了电光调制器阵列(100)、可调延时线阵列(200)、光电探测器阵列(300)、射频驱动电路(400)、直流驱动电路(500)和电子信号处理电路(600)，所述的电光调制器阵列(100)接收外界输入的光脉冲与外界输入的模拟信号，在所述的射频驱动电路(400)与直流驱动电路(500)的驱动下，完成模拟信号的采样以及光脉冲的时分解复用，形成2n路光输出，所述的电光调制器阵列(100)共包含有2n个铌酸锂-硅电光调制器，其中的一个作为采样门(101)，接收模拟信号输入，该采样门是单输出的电光调制器，即只有一个光输出端口，剩余的2n-1个电光调制器形成n级时分解复用结构(102)，该时分解复用结构中的每个电光调制器均是双输出的电光调制器，具有两个光输出端口，第n级的2n-1个电光调制器共2n个光输出端口，所述的可调延时线阵列(200)具有2n个可调延时线，该2n个可调延时线分别位于所述的电光调制器阵列(100)的2n光输出端口之后，所述的光电探测器阵列(300)包含2n个硅-锗光电探测器，分别位于所述的可调延时线阵列(200)的2n光输出端口之后，所述的射频驱动电路(400)由时钟(401)、倍频器组(402)、分频器组(403)、滤波器组(404)、移相器组(405)、放大器组(406)组成，其目的在于：为电光调制器阵列(100)的时分解复用结构提供射频驱动信号，为电子信号处理电路(600)提供时钟信号；所述的直流驱动电路(500)包含可调电压源组(501)和直流电源组(502)，其目的在于：控制电光调制器阵列(100)中每一个电光调制器的偏置电压，为可调延时线阵列(200)的可调延时线提供直流信号，为光电探测器阵列(300)的每一个光电探测器提供电源；所述的电子信号处理电路(600)包含依次的跨阻放大器组(601)、电子模数转换器组(602)和数字信号处理器(603)，所述的跨阻放大器组(601)将光电探测器阵列(300)输出的电流信号转化为电压信号并放大并输入所述的电子模数转换器组(602)，所述的电子模数转换器组(602)完成电压信号的量化后为所述的数字信号处理器(603)输出数字信号，所述的数字信号处理器(603)完成通道交织处理后，输出数字信号作为整个系统的输出；
所述的基于铌酸锂-硅晶圆的单片集成光模数转换系统，各部件的连接方式为：外部输入的光脉冲连接采样门(101)的光输入端口；模拟信号通过采样门(101)的电输入端口输入；采样门(101)的光输出端口连接时分解复用结构(102)的第一级双输出调制器的光输入端口；所述的射频驱动电路(400)的2n-1个射频输出端口相应连接到时分解复用结构(102)中的2n-1个双输出调制器的电输入端口；所述的的时分解复用结构的第n级的2n个光输出端口对应连接2n个可调延时线(200)的光输入端口；所述的可调延时线阵列(200)的2n个光输出端口对应连接所述的光电探测器阵列(300)的2n个光输入端口；所述的光电探测器阵列(300)的2n个电输出端口对应连接到所述的电子信号处理电路(600)的2n个电信号输入端口；所述的射频驱动电路(400)的时钟...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹卫文，徐绍夫，王静，王兴军，
申请(专利权)人：上海交通大学，北京大学，
类型：发明
国别省市：上海;31