一种混合集成硅光芯片、光器件及芯片制作方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明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，本发明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，本发明实施例提供一种光器件，包括本发明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，本发明实施例提供芯片制作方法，用于制作本发明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。

本发明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发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例一种混合集成硅光芯片组成示意图；

图2(a)为本发明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)为本发明实施例第一混合集成波导端的耦合结构侧视示意图；

图3为本发明实施例第二混合集成波导端的耦合结构侧视示意图；

图4为本发明实施例混合集成波导端的结构示意图；

图5为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明实施例的混合集成硅光芯片，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。

基于上述实施例，所述第一混合集成波导102和第二混合集成波导106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102和第二混合集成波导106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102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106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。

本发明实施例中，为了保证工艺的简洁性和一致性，两个混合集成波导，即第一混合集成波导102和第二混合集成波导106，具有相同的物理结构，其包含的Si₃N₄波导的数目相同，即若第一混合集成波导102包含一个Si₃N₄波导，则第二混合集成波导102也包含一个Si₃N₄波导；若第一混合集成波导102包含N个Si₃N₄波导，则第二混合集成波导102也包含N个Si₃N₄波导。

具体的，当混合集成波导包含多个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。

基于上述实施例，所述第一混合集成波导和第二混合集成波导具有相同或不同的物理尺寸，具体的物理尺寸符合模场匹配要求。

具体的，所述第一混合集成波导102的模场与所述半导体激光器芯片101的模场匹配；所述第二混合集成波导106的模场与输出光纤的模场匹配；具体的，第一混合集成波导102的Si₃N₄波导的通过垂直排列的方式与所述半导体激光器芯片的模场匹配；所述第二混合集成波导的Si₃N₄波导的通过垂直排列的方式与输出光纤的模场匹配。

图2(a)为本发明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)为本发明实施例第一混合集成波导端的耦合结构侧视示意图，请参考图2(a)和图2(b)，所述第一混合集成波导102的Si₃N₄波导与所述第一硅波导103部分重叠，即本发明实施例第一混合集成波导102除了集成Si₃N₄波导外，还集成了部分第一硅波导(请参考图2(b))，所述部分第一硅波导用于与第一混合集成波导102的Si₃N₄波导进行光信号耦合，将Si₃N₄波导耦合的光信号耦合进入第一硅波导进行传输，因此所述部分第一硅波导即为第一混合集成波导102的输入硅波导。如图2(b)所示，也可认为，本发明实施例的第一混合集成波导102包括一个或多个Si₃N₄波导，及输入硅波导(输入硅波导即第一硅波导的一部分)。

请参考图2(b)和图4中(b)俯视图，第一混合集成波导102端中重叠部分的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，在Si₃N₄波导和输入硅波导重叠的部分竖直方向发生耦合，光信号从上层的Si₃N₄波导耦合至下层的输入硅波导中，实现半导体激光器和输入硅波导的高效率耦合。

请参考图2(a)和图2(b)，本发明实施例所述混合集成硅光芯片，在第一混合集成波导102的信号输入侧设置了激光器芯片固定平台200。所述激光器芯片固定平台200通过半导体刻蚀工艺形成，精度高，适用于激光器芯片的倒装焊接，同时形成的还有Stopper结构203，用来限制激光器贴片的高度位置，在激光器芯片固定平台上设置有焊盘即金属电极202和对准标记204，所述焊盘用来和激光器芯片焊盘形成焊点201完成焊接固定，所述对准标记204用来为自动贴片机寻找激光器芯片和固定平台最佳贴片位置提供参考点。

图3为本发明实施例第二混合集成波导端的耦合结构侧视示意图；请参考图3，所述第二混合集成波导106的Si₃N₄波导与所述第二硅波导105部分重叠，也可认为，本发明实施例第二混合集成波导106除了集成Si₃N₄波导外，还集成了部分第二硅波导(请参考图3)，所述部分第二硅波导用于与第二混合集成波导106的Si₃N₄波导进行光信号耦合，将第二硅波导上传输的光信号耦合进入第二混合集成波导106的Si₃N₄波导，再通过第二混合集成波导106的Si₃N₄波导的耦合至输出光纤，因此所述部分第二硅波导即为第二混合集成波导106的输出硅波导。换言之，本发明实施例的第二混合集成波导106包括一个或多个Si₃N₄波导，及输出硅波导(输出硅波导即第二硅波导的一部分)。

请参考3和图4中(b)俯视图，第二混合集成波导106中重叠部分的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，在Si₃N₄波导和输入硅波导重叠的部分竖直方向发生耦合，光信号从下层的输出硅波导耦合至上层的Si₃N₄波导，进一步通过上层的Si₃N₄波导耦合至输出光纤，从而实现半高效率的光输出耦合。

综上，由于硅波导折射率大，其出射模场很小，与光纤直接耦合损耗较大，与激光器直接耦合容差较小；而Si₃N₄材料的折射率比硅折射率小，对硅波导耦合具有很好的辅助作用，因而本发明实施例通过垂直排列的Si₃N₄波导层叠结构，来辅助硅波导光输入/输出端口耦合，提升耦合效率和耦合容差。

图4为本发明实施例混合集成波导端的结构示意图，其在(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为截面图。通过(a)俯视图展示了多个Si₃N₄波导垂直排列的层叠结构；通过(b)侧视图展示了硅波导和Si₃N₄波导在耦合处逐渐减小为锥形，硅波导由矩形体部分和锥形体部分构成，锥形体向Si₃N₄波导方向延伸，锥形体顶端位于Si₃N₄波导下方。所述Si₃N₄波导成锥形体，其延伸方向和所述硅波导延伸方向相反；通过(c)截面图展示了Si₃N₄波导的截面，其截面具有一定的宽度和高度。

基于上述实施例，所述第一混合集成波导的多个的Si₃N₄波导的结构尺寸相同或不相同；

所述第二混合集成波导的多个的Si₃N₄波导的结构尺寸相同或不相同。

基于上述实施例，本发明还提供一种优选实施例，所述第一混合集成波导包括三个Si₃N₄波导，分别为第一Si₃N₄波导、第二Si₃N₄波导和第三Si₃N₄波导；第二混合集成波导包括三个Si₃N₄波导，分别为第四Si₃N₄波导、第五Si₃N₄波导和第六Si₃N₄波导；所述半导体激光器芯片的有源层与所述第二Si₃N₄波导的中心对准。

为了说明本发明实施例的Si₃N₄波导的结构尺寸，结合本发明实施例的一种优选实施例，及两个混合集成波导分别包含三个Si₃N₄波导，来说明具体尺寸。参考图4中(a)、(b)、(c)，由于本发明实施例第一混合集成波导和第一混合集成波导的结构完全相同且对称，对于第一混合集成波导和第一混合集成波导：

硅波导矩形体(即不重叠部分的第一硅波导或第二硅波导)部分的高度h＝0.22um，宽度Wout＝0.5um，长度Ls＝50um；

硅波导锥形体(即重叠部分的第一硅波导或第二硅波导)部分的高度h＝0.22um，锥形尖端宽度Wtip＝0.1um，长度Lt＝550um；

硅波导和第一Si₃N₄波导、第二Si₃N₄波导及第三Si₃N₄波导耦合部分长度Lc＝450um；

第一Si₃N₄波导、第二Si₃N₄波导及第三Si₃N₄波导的高度均为Hsi3n4＝0.1um，第一Si₃N₄波导和第二Si₃N₄波导，以及第二Si₃N₄波导和第三Si₃N₄之间的中心间距gap1＝0.54um，硅波导和第一Si₃N₄波导之间的中心间距gap2＝0.48um，锥形尖端宽度Wmid＝0.5um，对于和半导体激光器耦合的第一混合集成波导102，其对应锥形末端宽度为Win＝2.5um，对于和单模光纤耦合的第二混合集成波导106，其对应锥形末端宽度为Win＝10um。

本发明优选实施例中，第一混合集成波导102包括输入硅波导，第一Si₃N₄波导，第二Si₃N₄波导、第三Si₃N₄波导和二氧化硅包层，第二混合集成波导106包括输出硅波导，第四Si₃N₄波导，第五Si₃N₄波导、第六Si3N4波导和二氧化硅包层，本发明实施例综合考虑耦合效率和对位容差以及硅光芯片工艺复杂度，在实施例中选择工艺可行性好，同时耦合效率和对准容差亦能满足要求的设计，即三层Si₃N₄波导实现辅助硅波导耦合的功能，在实际应用中可以根据耦合需求和工艺难度对Si₃N₄的层数和尺寸参数进行重新优化选择，不同的尺寸需要对Si₃N₄波导尺寸进行重新优化。

由于带模场转换结构的激光器芯片，发散角小，模场较大，耦合容易，但半导体芯片工艺复杂，仅少数半导体激光器芯片厂家可以加工。本发明实施例中选用的激光器模型为最常规激光器参数，选定中心波长为1550nm，远场发散角为25°x40°的高斯型单模半导体激光器做模拟测试模型。

图5为本发明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为本发明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为本发明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。通过模拟测试，本发明实施例所述混合集成硅光芯片，第一混合集成波导和半导体激光器芯片耦合效率可以达到73.5％，其C波段耦合损耗均小于1.5dB，图5所示；3dB对位公差，图6所示；在X、Y方向上分别为：1um和1.5um；混合集成波导2和单模光纤耦合效率为55％，其C波段耦合损耗小于2.6dB，如图7所示。

目前商用自动倒装贴片机的贴片精度可以达到+/-0.5um，本发明实施例的结果可以满足采用自动贴装的方式将有源激光器芯片贴装在硅光芯片的激光器芯片固定平台上，完成激光器到硅波导的被动对准和直接耦合，而自动化设备的应用可以极大地保证工艺一致性，缩短对光和焊接的时间，从而达到降低成本的目的，适合批量生产。

综上所述，本发明实施例混合集成硅光芯片，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，耦合效率高，大耦合容差，高可靠性，并且能实现快速批量生产。

本发明实施例还提供一种光器件，包括本发明实施例上述任一实施例所述的混合集成硅光芯片。

需要说明的是，任何包含本发明实施例上述任一实施例所述的混合集成硅光芯片的光电器件均属于本发明实施例的保护范围。

图8为本发明实施例芯片制作方法流程示意图，请参考图8，本发明实施例提供一种制作上述混合集成硅光芯片的芯片制作方法，包括：

800，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；

801，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；

802，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；

803，通过等离子体增强化学气相沉积法PECVD法在所述硅衬底上形成二氧化硅包层。

本发明实施例通过步骤800实现光信号处理单元，通过步骤801实现第一混合集成波导和第二混合集成波导，通过步骤802实现半导体激光器芯片的贴装，通过步骤803实现二氧化硅封装，最后进行后阶刻蚀和后工艺处理，从而实现了耦合效率高、大耦合容差、高可靠性的混合集成硅光芯片，所述混合集成硅光芯片能实现快速批量生产。

基于上述实施例，步骤801，所述通过材料生长、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，具体包括：

根据第一混合集成波导和第二混合集成波导中的Si₃N₄波导数量，通过如下方法在垂直方向依次制作每一层Si₃N₄波导层：

801.1，通过等离子体增强化学气相沉积法PECVD法在所述SOI晶元上或Si₃N₄波导层沉积薄膜层；

801.2，通过低压力化学气相沉积法LPCVD法在所述薄膜层上形成Si₃N₄波导层，并根据需求进行光刻和刻蚀。此处，所述根据需求进行光刻和刻蚀，是指Si₃N₄波导层的具体尺寸根据耦合需求和工艺难度对Si₃N₄的层数和尺寸参数进行优化选择，不同的尺寸需要对Si₃N₄波导尺寸进行优化。

由于本发明实施例的混合集成硅光芯片包括一个或多个Si₃N₄波导，通过步骤801.1和801.2，即可制作一层Si₃N₄波导层，每一层Si₃N₄波导层即为一个Si₃N₄波导，多次重复步骤801.1和801.2即可获得多个Si₃N₄波导。

综上所述，本发明实施例提供的芯片制作方法，可以制作本发明实施例所述的混合集成硅光芯片，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，耦合效率高，大耦合容差，高可靠性，并且能实现快速批量生产。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。