一种集成光子芯片及其制备方法

本发明涉及半导体光电，特别涉及一种集成光子芯片及其制备方法。

背景技术：

1、随着数据中心、云服务、超算中心等数据传输量的激增，可兼容上述应用的高密度光互联技术不可小觑，其能够实现更低的能耗和更快的数据传输速率，确保了低损数据互联和高算力、高保真度的信号处理。无论是普遍认为的光电混合计算亦或是商用化光模块，其均是基于电光调制的光电器件完成光学信号和电学信号的快速切换，因此获得低成本、高调制速率、小体积的大规模高速电光调制器及相关光子学器件是未来光芯片产业化的必经之路。

2、借鉴硅基材料在传统微电子芯片的发展，基于硅材料的硅基光子学平台在过去的二十几年来取得了飞速的发展，并且借助于硅材料的低成本和微电子产业成熟的制造工艺已实现了产业的标准化并且其产品已经在光通信、光计算和光传感领域取得了大规模实际应用。在硅基光子学取得商业化成功的同时，硅材料本身不具备的高速电光效应依然限制着硅基光子芯片在高线性度、高传输速率(如800g)、低光损耗场景中的应用。近年来，基于二阶非线性效应(泡克尔斯效应)，铌酸锂材料有望实现高线性度、高速电光调制同时保证低损耗传输，然而，虽然绝缘体上铌酸锂材料在学术上展示了其优异的电光调制性能，但铌酸锂本身的高成本极大地阻碍了其迈向商业化光子学平台的进程。因此，高速光芯片的产业化需求一种兼具低成本和优异光电性能的集成光子芯片。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本申请于一方面公开了一种集成光子芯片，其包括：

2、支撑衬底；

3、位于所述支撑衬底上的钽酸锂光子系统，所述钽酸锂光子系统包括光传输波导；

4、位于所述钽酸锂光子系统上的电互联系统，所述电互联系统包括行波电极、焊接电极和用于连接所述行波电极、所述焊接电极的引线。

5、于一个可行的实施例中，所述钽酸锂光子系统还包括微环谐振器、跑道型谐振器、阵列波导光栅和马赫曾达尔干涉仪中的一种或者多种的组合。

6、于一个可行的实施例中，所述支撑衬底包括衬底和位于所述衬底上的光学绝缘层；

7、所述光学绝缘层的材料包括氧化硅；

8、所述衬底的材料包括石英、硅或者蓝宝石。

9、于一个可行的实施例中，所述钽酸锂光子系统的功能包括用于光模块的电光互联系统、基于电光调制的高算力光计算系统、多通道光通信及波分复用系统。

10、于一个可行的实施例中，所述用于光模块的电光互联系统由马赫曾达尔电光调制器、光耦合接口、激光增益芯片、专用集成电路芯片和所述电互联系统构成；

11、所述马赫曾达尔电光调制器由直波导和多模干涉耦合器组成，用于钽酸锂片上高速电光的调制；

12、所述光耦合接口用于实现钽酸锂片上的光到低损光纤光的转换；

13、所述激光增益芯片用于提供光源；

14、所述专用集成电路芯片用于输出数字电学信号，并通过引线将其加载到焊接电极上，以使所述专用集成电路芯片能够用于共封装光模块的光学部分或者i/o的实现。

15、于一个可行的实施例中，所述基于电光调制的高算力光计算系统由变换矩阵结构、多模干涉耦合器、电极系统组成；

16、在所述基于电光调制的高算力光计算系统的输入端由1×n的多模干涉耦合器及相位调制器来初始化输入项；

17、所述变换矩阵结构由多级连接的级联马赫曾达尔干涉仪组成；其中，两个级联的所述马赫曾达尔干涉仪用于控制两个相位项以实现可调的su(2)幺正变换。

18、于一个可行的实施例中，所述多通道光通信及波分复用系统由钽酸锂微环谐振器、可调波分复用器和光接收封装模块组成；

19、当基于克尔非线性效应，将连续光输入所述多通道光通信及波分复用系统，所述钽酸锂微环谐振器利用级联四阶非线性效应产生克尔光学频率梳；所述可调波分复用器由级联add-drop型微环谐振器构成，用于加载与微环半径相匹配的电光相位调制电极，通过电光调制add-drop型微环谐振器的谐振峰位置以实现多通道的片上可调滤波功能；

20、所述光接收封装模块由共封装的硅锗探测器、数字信号处理芯片、专用集成电路芯片构成，用于接收信号和对所述可调波分复用器上加载的相位调制电极进行信号自反馈。

21、本申请于另一方面公开了一种制备上述的集成光子芯片的方法，其包括：

22、提供一衬底结构；所述衬底结构包括支撑衬底和位于所述支撑衬底上的钽酸锂层；

23、对所述钽酸锂层依次进行光刻和刻蚀处理，以在所述支撑衬底形成所述钽酸锂光子系统；

24、在所述钽酸锂光子系统上形成所述电互联系统。

25、于一个可行的实施例中，所述提供一衬底结构，包括：

26、提供一钽酸锂晶圆；

27、对所述钽酸锂晶圆进行离子注入，以在所述钽酸锂晶圆中形成缺陷层；

28、将所述钽酸锂晶圆与支撑衬底进行键合，并对键合的结构进行退火剥离处理，形成所述衬底结构。

29、于一个可行的实施例中，离子注入的离子包括氢、氦或者其组合；

30、当离子注入的离子为氢离子，离子注入能量为10kev～300kev，离子注入剂量为1e15～5e17cm-1。

31、于一个可行的实施例中，所述对所述钽酸锂层依次进行光刻和刻蚀处理，包括：

32、在所述钽酸锂层上形成掩膜；

33、利用干法刻蚀工艺对所述钽酸锂层进行刻蚀处理，并去除所述掩膜；

34、基于湿法腐蚀去除图形化的钽酸锂层的刻蚀再沉积物。

35、采用上述技术方案，本申请提供的集成光子芯片具有如下有益效果：

36、本申请实施例提供的集成光子芯片具有同一支撑衬底，还包括位于所述支撑衬底上的钽酸锂光子系统，所述钽酸锂光子系统包括光传输波导；位于所述钽酸锂光子系统上的电互联系统，所述电互联系统包括行波电极、焊接电极和用于连接所述行波电极、所述焊接电极的引线。由于该集成光子芯片具有钽酸锂光子系统，所以包含其的集成光子芯片具有成本低且更为优异的光学性能(如强电光效应、相对更宽的光学透明窗口、更大的禁带宽度及)。

技术特征：

1.一种集成光子芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的集成光子芯片，其特征在于，所述钽酸锂光子系统还包括微环谐振器、跑道型谐振器、阵列波导光栅和马赫曾达尔干涉仪中的一种或者多种的组合。

3.根据权利要求1所述的集成光子芯片，其特征在于，所述支撑衬底包括衬底和位于所述衬底上的光学绝缘层；

4.根据权利要求1所述的集成光子芯片，其特征在于，所述钽酸锂光子系统的功能包括用于光模块的电光互联系统、基于电光调制的高算力光计算系统、多通道光通信及波分复用系统。

5.根据权利要求4所述的集成光子芯片，其特征在于，所述用于光模块的电光互联系统由马赫曾达尔电光调制器、光耦合接口、激光增益芯片、专用集成电路芯片和所述电互联系统构成；

6.根据权利要求4所述的集成光子芯片，其特征在于，所述基于电光调制的高算力光计算系统由变换矩阵结构、多模干涉耦合器、电极系统组成；

7.根据权利要求4所述的集成光子芯片，其特征在于，所述多通道光通信及波分复用系统由钽酸锂微环谐振器、可调波分复用器和光接收封装模块组成；

8.一种制备如权利要求1-7任一项所述的集成光子芯片的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提供一衬底结构，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，离子注入的离子包括氢、氦或者其组合；

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述钽酸锂层依次进行光刻和刻蚀处理，包括：

技术总结本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种集成光子芯片及其制备方法。本申请实施例提供的集成光子芯片具有同一支撑衬底，还包括位于所述支撑衬底上的钽酸锂光子系统，所述钽酸锂光子系统包括光传输波导；位于所述钽酸锂光子系统上的电互联系统，所述电互联系统包括行波电极、焊接电极和用于连接所述行波电极、所述焊接电极的引线。从而使得该集成光子芯片兼具成本低和优异的光学性能。技术研发人员：欧欣,王成立,蔡佳辰受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/2