光子芯片及其制备方法与流程

1.本技术涉及光子集成回路技术领域，具体涉及一种光子芯片及其制备方法。


背景技术：

2.大数据、物联网等新兴在线应用使全球数据量激增，用于光互连、光处理的光子集成回路(photonic integrated circuit，pic)规模逐渐增加，然而插入损耗、回波损耗均会消耗信号功率，限制pic集成度。片上集成高速信号放大器可以补偿大规模pic中的损耗，维持信号功率，延长光互连数据中心间距离，增强片上光信号处理能力。半导体光放大器具有宽带放大性能且体积小、易集成，是片上集成放大器的首选方案。另外，半导体光放大器在高速光通信传输中可实现改善信噪比，延长传输距离。然而高输入功率下增益饱和导致码型效应恶化信号信噪比，高速信号传输引起载流子密度快速变化导致频率啁啾使信号脉冲展宽，限制通信距离。如何提供一种具有高速信号放大功能且能抑制频率啁啾从而延长通信距离的集成芯片是目前亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

3.本技术针对相关技术的缺点，提出一种光子芯片及其制备方法，用以解决相关技术中的光子芯片上的光子集成回路输出光信号存在频率啁啾、码型效应或信号质量恶化导致误码的问题。
4.本技术提供一种光子芯片，该光子芯片包括：基底、光放大器和光滤波器，其中，光放大器集成于所述基底上，具有相对设置的输入端和输出端，所述输入端用于接收光信号，所述输出端用于输出经所述光放大器放大的光信号；光滤波器集成于所述基底上，与所述光放大器的所述输出端连接，所述光滤波器的传输响应曲线根据所述光放大器输出的光信号的波长的不同而具有对应不同的分布；用于补偿所述光放大器输出的光信号的频率啁啾。
5.根据上述实施例可知，本技术在光子芯片上集成有相互连接的光放大器和光滤波器，其中光放大器用于放大光信号，光滤波器与光放大器连接，用于补偿光放大器产生的频率啁啾。两者之间相互配合，以实现克服光放大器饱和后引入的信号码型恶化、光放大器输出的负啁啾信号经过滤波器正啁啾补偿，可以实现功率均衡，消除码型效应。可支持高功率、高速信号的高质量放大，提升系统无误码性能。同时可提高光子链路的输出功率，延长传输距离，增加光信号的接收灵敏度。
6.在一个实施例中，光放大器包括：第一包层、有源层和第二包层。其中，第一包层用于横模限制；有源层设置于所述第一包层的一侧，用于光信号的放大及传输，内部设有分别限制层及增益层，所述分别限制层用于光模式限制，所述增益层用于载流子限制并发生粒子数反转产生增益；第二包层设置于所述有源层远离所述第一包层的一侧。
7.在一个实施例中，所述光放大器的结构包括但不限于：脊波导结构、掩埋异质结结构或p-n结结构。
8.在一个实施例中，所述有源层的结构包括但不限于：量子阱、量子点或稀土元素掺杂结构。
9.在一个实施例中，所述有源层的材料包括但不限于三五族化合物半导体。
10.在一个实施例中，光放大器通过异质集成、混合集成或单片集成的集成方式集成于所述基底上。
11.在一个实施例中，光滤波器包括相移波导和相位调节电极。所述相移波导通过电光效应或热光效应产生折射率改变；所述相位调节电极为电注入或热调节相位电极，用于调节所述传输响应曲线的中心频率。
12.在一个实施例中，所述光滤波器为环形滤波器，所述相位调节电极设置于所述环形滤波器的环形区域，所述相位电极呈环状、半环状或三分之一环状。
13.在一个实施例中，所述光滤波器为马赫曾德尔干涉型光滤波器，所述相位调节电极设置于所述马赫曾德尔干涉型光滤波器的干涉臂区域。
14.在一个实施例中，所述光放大器与所述光滤波器之间通过模斑转换器或者对接耦合方式连接。
15.在一个实施例中，所述光放大器包括但不限于半导体光放大器、稀土掺杂光放大结构。
16.在一个实施例中，光放大器包括第一光放大器和第二光放大器；
17.所述第一光放大器和所述第二光放大器分别与所述光滤波器连接；
18.所述光信号分为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号通过第一光放大器放大信号，所述第二光信号通过所述第二光放大器放大信号。
19.所述光子芯片还包括依次连接的输入光栅耦合器、半导体激光器、电光强度调制器；所述输出光栅耦合器的输入端用于输入光信号，所述电光强度调制器的输出端与所述光放大器的输入端连接。
20.本技术还提供一种光子芯片的制备方法，包括；
21.在基底上划分有源区和无源区；
22.在有源区形成光放大器和光滤波器；
23.在无源区形成模斑转换器，通过模斑转换器和无源波导连接光放大器和光滤波器。
24.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
25.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
26.图1所示为光滤波器补偿光放大器(soa)负啁啾系数原理图；
27.图2所示为在光子芯片上集成光放大器和光滤波器的集成结构示意图；
28.图3所示为本技术实施例提供的一种光放大器的结构示意图；
29.图4所示为本技术实施例提供的另一种光放大器的结构示意图；
30.图5所示为光放大器集成于基底上的一种集成方式结构示意图；
31.图6所示为光放大器集成于基底上的另一种集成方式结构示意图；
32.图7所示为图6中所示的光放大器的俯视图；
33.图8所示为光子芯片中光滤波器的一种实施方式的结构示意图；
34.图9所示为光子芯片中光滤波器的另一种实施方式的结构示意图；
35.图10所示为光子芯片中的光学器件的整体结构示意图。
36.其中：1-基底；2-光放大器；21-第一包层；22-第二包层；23-有源层；231-第一电子阻挡层；232-第一分别限制层；233-增益层；234-第二分别限制层；235-第二电子阻挡层；24-刻蚀停止层；25-半绝缘层；3-光滤波器；4-模斑转换器；41-第一模斑转换器；42-第二模斑转换器；5-介质层；6-相位调节电极；7-输入光栅耦合器；8-半导体激光器；9-电光强度调制器；10-输出光栅耦合器。
具体实施方式
37.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本技术相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
38.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
39.研究发现，如图1所示，半导体光放大器在交叉增益调制过程中容易产生频率啁啾。半导体光放大器在高功率下具有丰富的非线性效应，易于集成，且能为功率较低的输入光信号提供较大的增益。然而，它有一个很大的缺陷，即载流子恢复较长，可达到数十至数百个皮秒。因此利用半导体光放大器2放大高速信号时，极易导致信号畸变，高功率信号耗尽soa载流子，腔内载流子密度波动受放大信号的影响更加明显，经过长“0”比特序列载流子积累后“1”40.比特具有相当高的增益，放大信号上升沿具有明显过冲，过冲高度与“0”比特序列长度有关，“0”比特序列越长，“1”比特过冲高度就越高。这种信号放大性能受到前序比特序列影响的现象被称为码型效应。
41.本技术提供的一种光子芯片及其制备方法，旨在解决相关技术的如上技术问题。
42.下面结合附图，对本技术实施例中的光子芯片及其制备方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互补充或相互组合。
43.本技术提供一种光子芯片，如图2所示，该光子芯片包括：基底1、光放大器2和光滤波器3，其中，光放大器2集成于基底1上，具有相对设置的输入端和输出端，输入端用于接收光信号，输出端用于输出经光放大器2放大的光信号；光滤波器3集成于基底1上，与光放大器2的输出端连接，光滤波器3的传输响应曲线根据光放大器2输出的光信号的波长的不同而具有对应不同的分布；用于补偿光放大器2输出的光信号的频率啁啾。
44.根据上述实施例可知，本技术在光子芯片上集成有相互连接的光放大器2和光滤波器3，其中光放大器2用于放大光信号，光滤波器3与光放大器2连接，用于补偿光放大器2
产生的频率啁啾。两者之间相互配合，以实现克服光放大器2饱和后引入的信号码型恶化、光放大器2输出的负啁啾信号经过滤波器正啁啾补偿，可以实现功率均衡，消除码型效应。可支持高功率、高速信号的高质量放大，提升系统无误码性能。同时可提高光子链路的输出功率，延长传输距离，增加光信号的接收灵敏度。
45.在一些实施例中，光放大器2两侧分别设置有第一模斑转换器41和第二模斑转换器42以保证无源器件和有源器件在连接时的耦合效率。
46.在一些实施例中，光放大器2包括：第一包层、有源层和第二包层。其中，第一包层，用于横模限制；有源层，设置于所述第一包层的一侧，用于光信号的放大及传输，内部设有分别限制层及增益层，所述分别限制层用于光模式限制，所述增益层用于载流子限制并发生粒子数反转产生增益；第二包层，设置于所述有源层远离所述第一包层的一侧。
47.在一些实施例中，光放大器的层叠结构内还设有刻蚀停止层，所述刻蚀停止层用于波导刻蚀深度控制。
48.本实施例中的光放大器2中的有源层形成的有源区可将输入的光信号限制在一定范围内，从而对其进行充分的放大。
49.在一些实施例中，光放大器2的结构包括但不限于：脊波导结构、掩埋异质结结构或p-n结结构。
50.示例性地，光放大器2的结构为脊波导结构，即有源层呈脊状分布于包层上，相比于传统的矩形波导或者圆波导结构而言，脊波导具有主模截止波长更长，等效特性阻抗更低，单模带宽更宽等优点，可应用于微波和毫米波器件中。
51.示例性地，如图3所示，所述光放大器2包括依次层叠的第一包层21、第二包层22以及有源层23，有源层包括自下而上依次层叠的第一电子阻挡层231、第一分别限制层232、增益层233、第二分别限制层234、第二电子阻挡层235，需要说明的是，本技术中的光放大器脊波导结构中还设有刻蚀停止层24，刻蚀停止层24用于波导刻蚀深度控制。示例性地，刻蚀停止层位于所述第一包层21内。
52.示例性地，如图4所示，光放大器2的结构为掩埋异质结结构，则光放大器2除了设有分别位于上下两侧的第一包层21和第二包层22以及位于第一包层21和第二包层的中间的有源层23之外，还在所述有源层的左右两侧均设有半绝缘层25，所述有源层23包括自下而上依次层叠的第一电子阻挡层231、第一分别限制层232、增益层233、第二分别限制层234和第二电子阻挡层235。
53.半导体材料的载流子迁移率都非常低，且寿命非常短。因此大部分光生电子(空穴)未迁移至表面参与反应便在本体发生复合。因此，单一半导体作为光电材料具有较低的载流子分离效率。而构建半导体异质结可通过不同半导体之间的能带差将光生电子和空穴分离，显著提升光生载流子分离效率。
54.示例性地，光放大器2的结构为p-n结结构，光放大器2的结构包括依次层叠的p型半导体层和n型半导体层。p型半导体层和n型半导体层之间的接触界面形成pn结。进一步地，p-n结结构可以延伸为pin结结构，pin结结构在p型半导体层和n型半导体层之间还设有一层i型半导体层，其中i型半导体层即形成有源层。pin结由于设计了i型半导体层，因此势垒厚度很大，则能够吸收大量的光子、并转换为载流子——光生载流子，感光和探测辐射的灵敏度很高。
55.在一些实施例中，有源层的结构包括但不限于：量子阱、量子点或稀土元素掺杂结构。
56.本实施例中的有源层结构采用量子点结构时，增益谱最宽。同时量子点结构的啁啾小且温度敏感性低，因此在光子芯片上集成光放大器2时，采用量子点结构时效果最佳。然而从节约成本的角度上，也可采用量子阱结构实现光放大器2的集成。
57.在一些实施例中，有源层的材料包括但不限于三五族化合物半导体。需要说明的是，本领域技术人员可根据具体情况选择相对应的增益材料，不限于此。
58.在一些实施例中，光放大器2通过异质集成、混合集成或单片集成的集成方式集成于基底1上。
59.示例性地，如图5所示，本实施例中的光放大器2为独立芯片，通过金锡合金焊料或导电银胶贴片集成于基底1上，两侧分别连接模斑转换器4。
60.需要说明的是，异质集成技术是将有源器件和无源器件均通过异质键合或外延生长的方式集成于基底1上。
61.示例性地，如图6所示，光放大器2通过介质层5键合至基底1上。模斑转换器4耦合到基底1内部无源波导中。具体地，介质层5的材料可为苯并环丁烯(bcb)材料或者二氧化硅(sio2)。如图7所示，为图6中的光放大器2集成于基底1上的俯视图，其中，介质层5在基底1上的投影与光放大器2在基底1上的投影完全重合。需要说明的是，介质层5在基底1上的厚度越小越好，以避免影响光信号在光放大器2和模斑转换器4之间的传播转换。
62.在一些实施例中，光滤波器3包括相移波导和相位调节电极6。相移波导通过电光效应或热光效应产生折射率改变；相位调节电极6为电注入或热调节相位电极，用于调节传输响应曲线的中心频率。
63.本实施例中的光信号在光放大器2和光滤波器3中传输时，载流子浓度发生变化，出现增益饱和效应，其输出信号会因增益饱和效应无法获得较高的消光比，同时载流子浓度的变化会导致有效折射率的改变，从而使注入光放大器2的光信号产生相位变化，这种相位随时间的变化会引起信号频率的变化，即为频率啁啾。本实施例通过在光滤波器3上设置相位调节电极6，用于抵消光放大器2的光信号产生的相位变化，将其相位调节至正常范围内，即使输出信号的频率不受影响，从而达到补偿频率啁啾的目的。
64.在一些实施例中，如图8所示，光滤波器3为环形滤波器，相位调节电极6设置于环形滤波器的环形区域，相位电极呈环状、半环状或三分之一环状。
65.本实施例在环形滤波器上设有相位调节电极6，相位调节电极6可以实现带滤波器的中心频率调节。可调谐滤波器啁啾补偿原理如图1所示，放大器输出的信号波形在“1”比特脉冲上升沿存在过冲，即存在码型效应，频谱中可以观察到信号沿跳变处存在频率啁啾。将信号光频率置于可调谐滤波器带通滤波器上升沿处，上升沿对应的低频率啁啾具有低传输率，下降沿对应高频率啁啾具有高传输速率，soa输出的负啁啾信号经过滤波器正啁啾补偿实现功率均衡，消除码型效应。
66.在一些实施例中，如图9所示，光滤波器3为马赫曾德尔干涉型光滤波器，相位调节电极6设置于马赫曾德尔干涉型光滤波器3的干涉臂区域。
67.本实施例中的光滤波器3采用马赫曾德尔干涉型光滤波器，该滤波器采用不同长度的两个干涉臂，使光信号在光滤波器3端口进入后在传输过程中通过长短不一的干涉臂
产生一定的光程差，然后再通过耦合器相干叠加实现光学滤波功能。该光滤波器3具有结构简单以及良好的梳状和带通光谱特性等优势，同时还具备很高的信号选择性，可以得到极小的波长间隔。
68.需要说明的是，光滤波器3的材料包括但不限于硅、氮化硅、铌酸锂、inp(磷化铟)。
69.在一些实施例中，如图2、图5和图6所示，光放大器2与光滤波器3之间通过模斑转换器4或者对接耦合方式连接。
70.示例性地，如图2、图5和图6所示，本技术中的光放大器2和光滤波器3通过模斑转换器4(ssc)和无源波导集成于基底1上。
71.在一些实施例中，光放大器2包括但不限于半导体光放大器、稀土元素掺杂光放大结构。对于本领域技术人员而言，可根据实际情况设定，可实现放大光信号即可。
72.在一些实施例中，光放大器2包括第一光放大器和第二光放大器；
73.第一光放大器和第二光放大器分别与光滤波器3连接；
74.光信号分为第一光信号和第二光信号；第一光信号通过第一光放大器放大信号，第二光信号通过第二光放大器放大信号。
75.在本实施例中，当光子芯片中输入的信号为经过分束后的第一光信号和第二光信号时，可实现，分别对第一光信号和第二光信号进行放大之后再实现频率啁啾的补偿，可以实现对多个光信号的同步滤波调谐。
76.需要说明的是，第一光放大器两个放大器可以是并列排布实现多通道放大，也可以是级联排列，以实现提高输出功率或降低噪声。
77.在一些实施例中，光滤波器3还可以为fp滤波器，对于本领域技术人员而言，可根据实际情况设定，可实现补偿光放大器2产生的频率啁啾即可。
78.在一些实施例中，如图10所示，光子芯片还包括依次连接的输入光栅耦合器7、半导体激光器8、电光强度调制器9；输出光栅耦合器7的输入端用于输入光信号，电光强度调制器9的输出端与光放大器2的输入端连接，以实现光信号的整体传输。
79.在一些实施例中，光滤波器3远离光放大器2的一侧与输出光栅耦合器10连接，以输出光信号。
80.本技术还提供一种光子芯片的制备方法，包括以下步骤：
81.s100：在基底1上划分有源区和无源区。
82.s200：在有源区形成光放大器2和光滤波器3。
83.s300：在无源区形成模斑转换器4，通过模斑转换器4和无源波导连接光放大器2和光滤波器3。
84.本技术的上述实施例，在不产生冲突的情况下，可互为补充。
85.本技术领域技术人员可以理解，本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本技术中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，相关技术中的具有与本技术中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
86.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的
方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
87.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
88.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
89.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
90.以上仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种光子芯片，其特征在于，包括：基底，光放大器，集成于所述基底上，具有相对设置的输入端和输出端，所述输入端用于接收光信号，所述输出端用于输出经所述光放大器放大的光信号；光滤波器，集成于所述基底上，与所述光放大器的所述输出端连接，所述光滤波器的传输响应曲线根据所述光放大器输出的光信号的波长的不同而具有对应不同的分布；用于补偿所述光放大器输出的光信号的频率啁啾。2.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器包括：第一包层，用于横模限制；有源层，设置于所述第一包层的一侧，用于光信号的放大及传输，内部设有分别限制层及增益层，所述分别限制层用于光模式限制，所述增益层用于载流子限制并发生粒子数反转产生增益；第二包层，设置于所述有源层远离所述第一包层的一侧。3.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器的结构包括但不限于：脊波导结构、掩埋异质结结构或p-n结结构。4.根据权利要求2所述的光子芯片，其特征在于，所述有源层的结构包括但不限于：量子阱、量子点或稀土元素掺杂结构。5.根据权利要求2所述的光子芯片，其特征在于，所述有源层的材料包括但不限于三五族化合物半导体。6.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器通过异质集成、混合集成或单片集成的集成方式集成于所述基底上。7.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光滤波器包括：相移波导和相位调节电极；所述相移波导通过电光效应或热光效应产生折射率改变；所述相位调节电极为电注入或热调节相位电极，用于调节所述传输响应曲线的中心频率。8.根据权利要求7所述的光子芯片，其特征在于，所述光滤波器为环形滤波器，所述相位调节电极设置于所述环形滤波器的环形区域，所述相位电极呈环状、半环状或三分之一环状。9.根据权利要求7所述的光子芯片，其特征在于，所述光滤波器为马赫曾德尔干涉型光滤波器，所述相位调节电极设置于所述马赫曾德尔干涉型光滤波器的干涉臂区域。10.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器与所述光滤波器之间通过模斑转换器或者对接耦合方式连接。11.根据权利要求10所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器包括但不限于半导体光放大器、稀土元素掺杂光放大结构。12.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，所述光放大器包括第一光放大器和第二光放大器；所述第一光放大器和所述第二光放大器分别与所述光滤波器连接；所述光信号分为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号通过第一光放大器放大信
号，所述第二光信号通过所述第二光放大器放大信号。13.根据权利要求1所述的光子芯片，其特征在于，还包括：依次连接的输入光栅耦合器、半导体激光器、电光强度调制器；所述输出光栅耦合器的输入端用于输入光信号，所述电光强度调制器的输出端与所述光放大器的输入端连接。14.一种光子芯片的制备方法，其特征在于，包括：在基底上划分有源区和无源区；在有源区形成光放大器和光滤波器；在无源区形成模斑转换器，通过模斑转换器和无源波导连接光放大器和光滤波器。

技术总结
本申请提供一种光子芯片及其制备方法，该光子芯片包括：基底、光放大器和光滤波器，其中，光放大器集成于基底上，具有相对设置的输入端和输出端，输入端用于接收光信号，输出端用于输出经光放大器放大的光信号；光滤波器集成于基底上，与光放大器的输出端连接，光滤波器的传输响应曲线根据光放大器输出的光信号的波长的不同而具有对应不同的分布；用于补偿光放大器输出的光信号的频率啁啾。可以实现功率均衡，消除码型效应。可支持高功率、高速信号的高质量放大，提升系统无误码性能。同时可提高光子链路的输出功率，延长传输距离，增加光信号的接收灵敏度。信号的接收灵敏度。信号的接收灵敏度。


技术研发人员：王启超 余辉 尹坤 张强 万萦菲
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/6