CN111880267A - 基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发*** - Google Patents

基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发*** Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，包括由多模波导相连的发送模块和接收模块；光学频率梳激光源包括相连的片上单波长激光源和光频梳器件；波长‑模式调制模块包括依次相连的波长解复用器、功分器组、电光调制器阵列和模式复用器；光频梳器件与波长解复用器相连，模式复用器通过多模波导与波长‑模式解复用模块相连。该光学***仅使用标准商业化的CMOS工艺就可以在同一块芯片上实现多波长激光器、电光调制器、波长（解）复用器、模式（解）复用器、光电探测器等器件的全集成，大大降低了芯片的工艺难度和制作成本。大大扩展了***的通信容量，成倍地提高了***的处理速度。

Description

基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，涉及一种基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***。
背景技术
现有技术中电互连及电信息处理的带宽受限、延迟高、功耗高，已经逐渐无法满足信息容量增长对器件性能提升的需求。光具有高速、抗电磁干扰及并行处理等特点，非常适合作为信息的载体。此外，光除了空分复用、时分复用、码分复用外还拥有其独特的波分复用、模分复用、偏振复用等方式，可以成倍地提高***的通信容量和处理速度。因此，光通信技术吸引了研究人员的广泛关注。其中，光纤通信技术发展最为成熟，应用也最为广泛，但是光纤器件的结构稳定性较差，设计手段也十分有限。近年来，随着微电子行业的不断发展，集成光子芯片获得了学术界及工业界的广泛关注，最具代表性的就是硅基光子集成技术。在芯片的制作工艺方面，硅基光子集成技术可以利用标准化的金属氧化物半导体（CMOS）工艺在现有的微电子加工工艺平台上实现芯片的大规模生产，大大降低了工业成本。在芯片性能方面，可以灵活地设计各种有源或无源器件，并将这些器件集成到同一块硅基芯片上，实现多个功能的同时，大大降低了芯片的面积和功耗。然而，硅材料具有一些天然的缺陷，如具有双光子吸收，电光效应弱等。其中，由于硅材料具有双光子吸收效应，很难利用硅材料进行非线性光学的研究。又由于硅材料不具有显著的电光效应，通常需要在掺杂后进行载流子注入或抽取，借助硅材料的等离子色散效应完成器件的电光调制。这种方法不仅工艺较为复杂，而且材料掺杂会引起额外的损耗。这些天然的缺陷都成为了硅基光子集成技术进一步发展过程中的阻碍。
相比于硅材料，铌酸锂拥有一些优异的材料属性，如显著的线性电光效应以及二阶非线性效应等。基于此，体铌酸锂波导已经被广泛应用于电光调制器领域。然而，现有技术中的体铌酸锂波导的制作工艺与标准商业化的CMOS工艺不兼容，这限制了电光调制器与其他光子器件的混合集成。于是，基于铌酸锂薄膜波导的器件进入了研究人员的视野。目前最常见的实现铌酸锂薄膜波导的方法仍然是直接刻蚀，但是通过直接刻蚀的方法形成的波导结构很难拥有平滑的边界，除此之外，在设计一些对波导参数敏感的器件时，必须在设计过程中将刻蚀可能形成的倒角严格地考虑进去，这为器件的设计增加了难度。综上所述，不论是基于硅波导还是基于铌酸锂薄膜波导，都很难通过现有的技术手段完成光通信***中主要功能器件的单片全集成。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，在同一块衬底上实现包括多波长激光源、电光调制、波分（解）复用、模分（解）复用、光电探测等在内的光学收发***，实现光通信***中主要功能器件的单片全集成。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，包括发送模块和接收模块，发送模块和接收模块通过多模波导相连；
发送模块包括相连接的光学频率梳激光源和波长-模式调制模块；
接收模块包括相连接的光电探测器阵列和波长-模式解复用模块；光学频率梳激光源包括相连接的片上单波长激光源和光频梳器件；波长-模式调制模块包括依次相连的波长解复用器、功分器组、电光调制器阵列和模式复用器；光频梳器件与波长解复用器相连，模式复用器通过多模波导与波长-模式解复用模块相连。
本发明全集成光学收发***基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导，该种类型波导以氮化硅辅助的铌酸锂薄膜作为波导芯层，二氧化硅作为波导包层/衬底。只需对氮化硅层进行光刻、刻蚀等标准商业化的CMOS工艺就可以在同一块芯片上实现激光器、电光调制器、波长（解）复用器、模式（解）复用器、光电探测器等器件的全集成，大大降低了芯片的工艺难度和制作成本。此外，该光学收发***结合了光的波分复用技术和模分复用技术，大大扩展了***的通信容量，成倍地提高了***的处理速度。
附图说明
图1是本发明光学收发***的总体架构图。
图2是本发明光学收发***中接收模块的结构示意图。
图3是本发明光学收发***中发送模块的结构示意图。
图4是本发明光学收发***中铌酸锂薄膜波导的结构示意图。
图5是光在图4铌酸锂薄膜波导中传输时形成的模场图。
图中：1.发送模块，2.接收模块，3.光学频率梳激光源，4.波长-模式调制模块，5.多模波导，6.光电探测器阵列，7.波长-模式解复用模块，8.片上单波长激光源，9.光频梳器件，10.波长解复用器，11.功分器组，12.电光调制器阵列，13.模式复用器，14.二氧化硅包层，15.氮化硅层，16.铌酸锂层，17.二氧化硅掩埋层，18.衬底层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明光学收发***，包括发送模块1和接收模块2，发送模块1和接收模块2通过多模波导5相连接。
发送模块1包括相连接的光学频率梳激光源3和波长-模式调制模块4。
接收模块2包括相连接的光电探测器阵列6和波长-模式解复用模块7，如图2所示。
波长-模式调制模块4通过多模波导5与波长-模式解复用模块7相连。
发送模块1中的光学频率梳激光源3包括相连接的片上单波长激光源8和光频梳器件9；发送模块1中的波长-模式调制模块4包括依次相连的波长解复用器10、功分器组11、电光调制器阵列12和模式复用器13，如图3；光频梳器件9与波长解复用器10相连，模式复用器13通过多模波导5与波长-模式解复用模块7相连。
功分器组11由N个1×M功分器组成，所有1×M功分器的输入端均接波长解复用器10的输出端，所有1×M功分器的输出端均接电光调制器阵列12的输入端。电光调制器阵列12由数量为N×M个电光调制器构成，一个1×M功分器连接M个电光调制器。
在发送模块1和接收模块2之间可以按照用户的需求布局光传输和光信息处理器件。目前，已有多种用于光传输和光信息处理的集成光电子器件被相继报道，包括开关、路由、逻辑运算器件等，并涉及多种波长与多种模式，此处不再一一描述。
本发明光学收发***中的多模波导5为结构如图4所示的氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导，该薄膜波导包括从下往上依次设置的衬底层18、二氧化硅掩埋层17、铌酸锂层16和二氧化硅包层14，铌酸锂层16上还设有氮化硅层15，氮化硅层15位于二氧化硅包层14内。
氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的基本实现方法：首先在一块硅或铌酸锂晶圆（衬底层18）上生长二氧化硅层（二氧化硅掩埋层17），随后将铌酸锂薄膜（铌酸锂层16）键合到该二氧化硅层上，并溅射一层氮化硅，对该层氮化硅进行光刻、刻蚀等工艺形成波导结构（氮化硅层15），通过刻蚀不同宽度的氮化硅波导可以实现多种模式信号的传输。最后淀积一层二氧化硅层作为器件包层（二氧化硅包层14）。其中，铌酸锂薄膜采用离子注入和热剥离的方法制备，其详细制备方法可见文献（A. Rao, S. Fathpour, “Compact lithiumniobateelectroopticmodulators,” IEEE J. Sel. Top. QuantumElectron. 24(4), 1–14 (2018).）；氮化硅层采用磁控溅射的方法制备，相比于等离子体化学气相淀积（PECVD），使用磁控溅射法制备的氮化硅波导的传输损耗大大降低；相比于低压化学气相淀积（LPCVD），使用磁控溅射法制备的氮化硅波导不易产生波导裂纹，且所需的工艺温度较低，不会对器件结构和基底造成破坏。磁控溅射氮化硅制备方法可见文献（A. Frigg, A.Mitchell, et al. “Low loss CMOS-compatible silicon nitride photonicsutilizing reactive sputtered thin films,”Opt. Express 27(26), 37795-37805(2019).）。
图5为光在氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导中传输时形成的模场图。可以看到，基于氮化硅辅助的铌酸锂波导对光有很好的限制作用，由于铌酸锂材料的折射率较大，因此大部分光场被限制在铌酸锂薄膜中，方便充分地利用铌酸锂材料的线性电光效应和二阶非线性效应；又因为氮化硅材料与铌酸锂材料的折射率非常接近，氮化硅波导对光场也有一定的限制作用，光可以沿着氮化硅波导向前传输，氮化硅波导的形状和结构尺寸将影响光的一系列传输特性，而氮化硅波导的制造工艺与标准商业化的CMOS工艺完全兼容，降低了器件的设计难度和工艺成本。
铌酸锂材料具有显著的电光效应，在具体实施过程中，当片上单波长激光源8发出的连续光被一个或多个电光调制器调制时，在调制器的输出端可以得到以连续光为中心，调制频率为间隔的N个等间隔的频率分量的光谱，称为光学频率梳，其原理及具体实现方法可见文献（M. Zhang, B. Buscaino, C. Wang,etal.“Broadband electro-opticfrequency combgeneration in a lithium niobatemicroring resonator,”Nature568,373 (2019)）。利用波长解复用器10将这多个频率分量解复用到不同的端口，经过功分器11阵列后，每个频率分量都被分为M束，这M束同波长的连续光被电光调制器阵列12调制为二进制信号，再通过模式复用器13复用到多模波导5中的M种不同模式输出。可以看到，由片上单波长激光源8输入到***中的单波长连续激光被扩展为N×M路并行传输的光信号，从而成倍地提高了***的通信容量。
波长-模式解复用器7将发送模块1输入多模波导5中不同波长信道及不同模式信道所携带的信号解复用到不同的端口，被光电探测器阵列6接收，转换为电信号输出，见图2。可以看到，N×M路并行传输的光信号被成功接收、采集并处理，从而成倍地提高了***的处理速度。
在具体实施过程中，可采用不对称的单环双波导型微环谐振器实现波长-模式（解）复用器，其原理及具体实施方法可见参考文献（L. W. Luo, N. Ophir, C. P. Chen,et al.“WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon chip,” Nat.Commun. 5, 3069 (2014)）。可采用微环谐振器（Z. Yu, Y. Tong, H. K. Tsang, et al.“High-dimensional communication on etchlesslithiumniobate platform withphotonicbound states in the continuum,” Nat. Commun. 11, 2602 (2020)）或马赫增德尔干涉仪结构实现片上电光调制器（A. N. R. Ahmed, S.Nelan, S. Shi, et al.“Subvolt electro-optical modulator on thin-filmlithiumniobate and siliconnitride hybrid platform,” Opt. Lett. 45(5), 1112-1115 (2020)）。可以通过在氮化硅层上生长硅和Ⅲ-Ⅴ族材料制备片上激光器，其原理及具体实施方法可见参考文献（C.Xiang, W.Jin, J. Guo, et al. “Narrow-linewidth III-V/Si/Si3N4 laserusingmultilayer heterogeneous integration,” Optica 7(1), 20-21 (2020)）。可以通过在氮化硅层上生长锗制备光电探测器，其原理及具体实施方法可见参考文献（H.Chen,P.Verheyen, P.DeHeyn, et al.“-1 V bias 67 GHz bandwidth Si-contactedgermanium waveguide p-i-nphotodetector for optical links at 56 Gbps andbeyond,”Opt. Express 24, 4622(2016)）。
本发明光学接收***包括发送与接收两大模块。光学频率梳激光源3产生一束多波长的光源信号（即N×M个波长-模式信号）进入波长-模式调制模块4中，利用波分复用与模式复用技术，将该源信号解复用到不同的端口，并分别输入到由N×M个光电探测器所构成的光电探测器阵列12中，由光电探测器阵列12处理并输出电信号。即将调制后的光信号输入到一根多模波导5中输出，实现了发送功能。在接收端，进入到多模波导5中的信号被输入到波长-模式解复用器7中，通过波长-模式解复用操作解复用成多路信号并被光电探测器阵列6接收，实现了接收功能。
光学频率梳激光源3所产生的N个波长的光信号被波长解复用器10解复用后，单个波长的光被N个1×M功分器分成M束同波长的连续光，该M束同波长的连续光被电光调制器阵列12调制为二进制信号后，经模式复用器13分别复用到M个模式信道中，在一根多模波导5中同时输出N×M路并行信号，这N×M路并行信号包含N个波长信道和M个模式信道。

Claims (3)

1.一种基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，其特征在于，包括发送模块（1）和接收模块（2），发送模块（1）和接收模块（2）通过多模波导（5）相连；
发送模块（1）包括相连接的光学频率梳激光源（3）和波长-模式调制模块（4）；
接收模块（2）包括相连接的光电探测器阵列（6）和波长-模式解复用模块（7）；光学频率梳激光源（3）包括相连接的片上单波长激光源（8）和光频梳器件（9）；波长-模式调制模块（4）包括依次相连的波长解复用器（10）、功分器组（11）、电光调制器阵列（12）和模式复用器（13）；光频梳器件（9）与波长解复用器（10）相连，模式复用器（13）通过多模波导（5）与波长-模式解复用模块（7）相连。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，其特征在于，所述的功分器组（11）由N个1×M功分器组成，所有1×M功分器的输入端均接波长解复用器（10）的输出端，所有1×M功分器的输出端均接电光调制器阵列（12）的输入端；所述电光调制器阵列（12）由数量为N×M个电光调制器构成，一个1×M功分器连接M个电光调制器。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硅辅助的铌酸锂薄膜波导的全集成光学收发***，其特征在于，所述的多模波导（5）包括从下往上依次设置的衬底层（18）、二氧化硅掩埋层（17）、铌酸锂层（16）和二氧化硅包层（14），铌酸锂层（16）上还设有氮化硅层（15），氮化硅层（15）位于二氧化硅包层（14）内。
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