基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统的制作方法

本发明属于光电异质集成技术领域，特别是一种光电单片集成系统以及系统中功能器件的互联方法。

技术背景

利用电子集成技术，可以在集成芯片上实现复杂的电子电路系统，进行高精度的信号处理，实现信号的存储。然而，由于电子电路系统存在电容、电感和电阻分布参数，电子处理系统具有时钟、串扰和损耗等缺陷。利用光子集成技术，实现以光作为信息载体的光子系统能够有效克服电子处理系统的以上缺陷，实现低功耗、高速的信号传输与处理。结合电子集成技术与光子集成技术的光电集成技术能够实现更高的系统处理性能。

利用片上电互联、光互连技术的集成芯片可在纳米、微米尺度上实现分立电子或光子器件的各种功能，克服了分立系统在体积、功耗、稳定性上的不足。电子集成系统可以实现模拟信号、数字信号的高精度处理与存储功能。光子集成系统可以实现低功耗、高速的信号传输与处理。文献1(参见atabaki,amirh.,etal."integratingphotonicswithsiliconnanoelectronicsforthenextgenerationofsystemsonachip."nature556.7701(2018):349.)利用硅基集成技术来实现光电单片集成系统。文献2(采用后端cmos工艺三维光电集成的方法，https://patentimages.storage.googleapis.com/ce/d1/3b/fb3313e4b8067a/cn103956340a.pdf)利用后端工艺实现三维光电集成。在光子集成系统中，调制器发挥着重要的功能，然而硅基调制器存在损耗较大、功耗较大的缺陷。铌酸锂材料是一种具有良好线性电光效应，可以克服硅基调制器功耗大、损耗大的缺陷。因而利用铌酸锂-硅晶圆，结合铌酸锂材料和硅材料实现具有更优异性能的光电单片集成系统。

技术实现要素：

本发明提出一种基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统，能够发挥铌酸锂材料优异的电光性能与硅基材料的优势，集成多功能光电系统，避免模块之间的封装，实现性能优异的单片光电系统集成。

本发明的技术解决方案如下:

一种基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统，其特点在于：自下而上包括硅衬底、二氧化硅绝缘层、铌酸锂晶圆层、硅晶圆层、锗薄膜层、二氧化硅绝缘层和硅层，所述的锗薄膜层与硅层通过金属通孔进行电学互连。所述的集成系统包括集成光路模块、光电转换器模块与集成电路模块，所述的集成光路模块包括波分复用器、热光调制器和电光调制器，所述的波分复用器、热光调制器和电光调制器之间通过光波导连接，所述的光电转换模块包括探测器，所述的集成电路模块包括跨阻放大器、模数转换器、数字处理器和数模转换器，所述的跨阻放大器、模数转换器、数字处理器和数模转换器之间通过电路相连，所述的数模转换器的输出端通过金属导线与所述的集成光路模块的电极相连，所述的波分复用器从外部激光源输入多种不同波长的光波耦合进入所述的光波导，通过所述的光波导进入所述的热光调制器和电光调制器，分别进行低速调制与高速调制；调制后的光信号通过所述的光波导进入所述的探测器实现光电转换，输出高速的电信号；该电信号经过所述的跨阻放大器、模数转换器、数字信号处理器和模数转换器处理后，通过所述的金属导线传输到所述的集成光路模块的电极分别输入所述的热光调制器和电光调制器分别进行热光调制和电光调制器。

在所述铌酸锂晶圆层、硅晶圆层制备光子器件，形成集成光路模块；通过在所述硅晶圆层上沉积锗薄膜层制备所述的探测器，形成所述得光电转换模块；在所述硅晶圆层上实现硅基cmos集成电路，所述的硅基cmos集成电路形成所述的光电转换模块。

所述的集成光路模块包括光波导和耦合器、(解)波分复用器、热光调制器、电光调制器和探测器的无源光子器件，所述的耦合器是锥形渐变耦合器，该锥形渐变耦合器位于所述的热光调制器、探测器与所述的光电调制器之间，用于光信号在所述的铌酸锂晶圆层、硅晶圆层中的传输；所述的光电转换模块将光信号转换为电信号；所述的集成电路模块进行电信号的处理。

铌酸锂-硅晶圆的光电集成系统芯片输入光源由外部激光源提供，所述的外部激光源的光输出与所述的集成光路模块的光输入端口相连；所述的集成光路模块的光输出端口与所述的光电转换模块的光输入端口相连；所述的光电转换模块的电输出端口与所述的集成电路模块的电输入端口相连；所述的集成电路模块的电输出端口与所述的集成光路模块的电输入端口相连；最后的信号处理结果由所述集成电路模块的电输出端口输出。

本发明的技术效果如下：

本发明基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统包含集成光路模块、光电转换模块与集成电路模块通过半导体cmos工艺集成在同一衬底上，避免了模块间的封装。实现真正的单片集成，分别进行光信号的传输与处理、光信号转换为电信号、电信号的传输与处理。本发明发挥了铌酸锂材料优异的电光性能与硅基材料的优势，从而使得光电系统具备更优异的性能。

附图说明

图1为本发明基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统的架构示意图

图2为本发明基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统的截面图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统，图2为本发明基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统的截面图，由图可见，本发明基于铌酸锂-硅晶圆的光电单片集成系统，其特点在于：自下而上包括硅衬底13、二氧化硅绝缘层14、铌酸锂晶圆层15、硅晶圆层16、锗薄膜层17、二氧化硅绝缘层14和硅层18，所述锗薄膜层17通过金属通孔19与硅层18进行电学互连。所述的集成系统包括集成光路模块2、光电转换器模块3与集成电路模块4，所述的集成光路模块2包括波分复用器5、热光调制器6和电光调制器7，所述的波分复用器5、热光调制器6和电光调制器7之间通过光波导连接，所述的光电转换模块3包括探测器8，所述的集成电路模块4包括跨阻放大器9、模数转换器10、数字处理器11和数模转换器12，所述的跨阻放大器9、模数转换器10、数字处理器11和数模转换器12之间通过电路相连，所述的数模转换器12的输出端通过金属导线与所述的集成光路2的电极相连，所述的波分复用器5从外部激光源1输入多种不同波长的光波耦合进入所述的光波导，通过所述的光波导进入所述的热光调制器6和电光调制器7，分别进行低速调制与高速调制；调制后的光信号通过所述的光波导进入所述的探测器8实现光电转换，输出高速的电信号；该电信号经过所述的跨阻放大器9、模数转换器10、数字信号处理器11和模数转换器12处理后，通过所述的金属导线传输到所述的集成光路2的电极分别输入所述的热光调制器6和电光调制器7分别进行热光调制和电光调制器；

在所述铌酸锂晶圆层15、硅晶圆层16制备光子器件，形成集成光路模块2；通过在所述硅晶圆层16上沉积锗薄膜层17制备所述的探测器8，形成所述的光电转换模块3；在所述硅层18上实现硅基cmos集成电路，所述的硅基cmos集成电路形成所述的集成电路模块4。

所述的集成光路模块包括光波导和耦合器、(解)波分复用器5、热光调制器6、电光调制器7和探测器8的无源光子器件，所述的耦合器是锥形渐变耦合器，该锥形渐变耦合器位于所述的热光调制器6、探测器8与所述的光电调制器7之间，用于光信号在所述的铌酸锂晶圆层15、硅晶圆层16中的传输；所述的光电转换模块3将光信号转换为电信号；所述的集成电路模块4进行电信号的处理。

铌酸锂-硅晶圆的光电集成系统芯片输入光源由外部激光源1提供，所述的外部激光源1的光输出与所述的集成光路模块2的光输入端口相连；所述的集成光路模块2的光输出端口与所述的光电转换模块3的光输入端口相连；所述的光电转换模块3的电输出端口与所述的集成电路模块4的电输入端口相连；所述的集成电路模块4的电输出端口与所述的集成光路模块2的电输入端口相连；最后的信号处理结果由所述集成电路模块4的电输出端口输出。

通过刻蚀硅晶圆层制备220纳米高、450～500纳米宽的硅波导，与铌酸锂晶圆层形成高折射率差的铌酸锂-硅波导；当通过刻蚀硅晶圆层制备70纳米高，300纳米宽的硅波导，与铌酸锂晶圆形成低折射率差的铌酸锂-硅波导。对于高折射率差的铌酸锂-硅波导，光波大部分被束缚在硅波导中，可以用来制备耦合器、(解)波分复用器和热光调制器等无源光子器件；对于低折射率差的铌酸锂-硅波导，光波大部分被束缚的铌酸锂晶圆中，得益于铌酸锂材料良好的电光效应，可以用来制备电光调制器7。